油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第一章 課題來源</b></p><p>　　1.1國、內(nèi)外液位計量儀表的現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1國外液位計量儀表的現(xiàn)狀</p><p>　　國外液位計量儀表早期大多采用機械原理，但近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機電一體化發(fā)展，并且發(fā)展了許多新的測量原理。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機技術(shù)，結(jié)構(gòu)

2、有了很大的改善，功能有了很大的提高。從國外液位儀表發(fā)展的技術(shù)動向看，當(dāng)前主要有三個熱點：①智能化液位儀；②非接觸測量方式的液位儀；③新原理的小型液位開關(guān)。</p><p>　　目前使用的液位儀有以下幾種：</p><p><b>　　(1)人工檢尺</b></p><p>　　利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，取樣測量油溫和密度，通過計算，得到儲液

3、的體積和重量，這是至今仍然在全世界廣泛使用的儲罐計量方法，也可把它用作現(xiàn)場檢驗其他測量儀表的參考手段。人工液位測量的精度一般為2mm的人為誤差。</p><p>　　(2)機械鋼帶式液位儀</p><p>　　60年代到80年代初期，開始研制和使用各種鋼帶式油量儀。這種液位儀采用一個又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。浮子的重量足以帶動多孔鋼帶通過齒輪裝置推動

4、機械計數(shù)器作現(xiàn)場顯示，同時帶動電動變送器，以便獲得遠(yuǎn)距離顯示。由于滑輪機械裝置的摩擦力和鋼帶重量，這類液位儀的測量誤差一般約為(4-10)mm。機械鋼帶式油量儀的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、價格低；缺點是：僅能測液位，傳動部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。適用范圍為存儲非腐蝕液體的常壓罐、高壓罐。</p><p><b>　　(3)智能化液位儀</b></p><p&

5、gt;　　伺服式液位儀是此類儀表的代表。這類儀表通過一個平衡浮子和重力敏感裝置，測量浮子的重量(在液面、液內(nèi)、界面上有不同的浮力)，并控制伺服電機動作升降浮子，跟蹤液位變化，同時發(fā)出遠(yuǎn)傳信號。伺服式液位儀的微機智能化，使得它的跟蹤誤差可達(dá)0.1mm。同時還能補償液面高低對鋼絲繩產(chǎn)生的附加重量的誤差，最高精度可達(dá)0.7mm。另外還可以測量密度、界位等計量參數(shù)，具有自診斷及通信功能。由于幾乎沒有傳動部件，因此儀表可靠性高。目前荷蘭Enraf

6、公司的ATG 854伺服液位儀精度可達(dá)lmm，主要適用于儲油罐的精密計量。</p><p><b>　　(4)超聲波液位儀</b></p><p>　　超聲波液位儀是非接觸液位儀中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。智能化的超聲波油量儀帶有一個功能很強的智能回波分析軟件包。它可以將各種干擾過濾出來，識別多重回波，分析信號

7、強度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在有擾動條件下讀數(shù)也是精確的。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲換能器可測量高達(dá)15m的液位，E+H公司研制的Prosonic FMU860/861/862超聲油量儀精度可達(dá)0.2%，F(xiàn)MU 40/41超聲液位儀精度可達(dá)2mm，輸出信號符合HART協(xié)議或profibus總線標(biāo)準(zhǔn)或FF總線標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　(5)雷達(dá)液位儀</b></p>

8、<p>　　連續(xù)式微波液位儀這幾年逐步推向市場。它通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號。當(dāng)接收到回波信號時，由于來回傳播的時間延遲，發(fā)射頻率已改變了。將兩者信號混合處理，所得信號的差頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。荷蘭Enraf公司的Radar872液位儀采用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，精度達(dá)2mm，1995年新推出的SmartRadar雷達(dá)液位儀利用平面天線技術(shù)(PAT

9、)、高級數(shù)字信號處理技術(shù)(ADSP)和虛擬天線技術(shù)(VAT)，結(jié)合寬陣列線性平面天線，提高了信號純凈度，能夠分析全反射譜，考慮假回波、蒸汽影響和其他因素，避免了由于墻壁反射干擾效應(yīng)造成的精度損失，使測量精度可達(dá)土lmm。法國AUXTTROL公司的TA840雷達(dá)液位儀采用多點平面天線技術(shù)，信號是通過RS485傳輸，精度可達(dá)1mm,德國Krohne公司的BM70P雷達(dá)液位計采用HART協(xié)議，精度可達(dá)1mm。</p><p

10、>　　1.1.2國內(nèi)儲油罐油量計量儀表的現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)的立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。從計量方法看主要有三種：檢尺法、液位法和靜壓法。目前國內(nèi)計量儀表的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應(yīng)產(chǎn)品。近年來中科院聲學(xué)所、武漢大學(xué)都研制了光纖液位測量系統(tǒng)，北京航天智控工程公司研制的UBG光導(dǎo)電子液位儀精度可達(dá)2mm。MET-1型磁效應(yīng)液位儀采用磁效應(yīng)原

11、理,精度為0.05%,1995年又推出了BL30雷達(dá)液位儀，精度為 [1+(空高)×3‰]。總后油料研究所最新研制的UGJ98型光導(dǎo)式油罐計量遙測系統(tǒng)，采用光柵干涉原理，以圓光柵傳感器為核心，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和抗干擾處理技術(shù)及RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了機光電一體化，一次儀表不帶電，系統(tǒng)綜合精度達(dá)到2mm。</p><p>　　1.2油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)的研究目的及意義</p>&l

12、t;p>　　在石油化工領(lǐng)域中，儲油罐中油量的計量越來越顯示出其重要地位。目前石化部門使用的大型儲罐大多是立式圓柱形罐或球形罐，其容量一般在1000—100000 m3之間，很小的測量誤差會造成很大的絕對誤差。因此提高油的計量精度和自動化管理水平，其重要性是明顯的。從80年代開始，隨著微電子、計算機、光纖、超聲波、傳感器等高科技的迅猛發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家紛紛將各種新技術(shù)、新方法、新儀表滲入到儲罐計量領(lǐng)域，使儲罐油量自動計量達(dá)到了“多功

13、能、高精度、現(xiàn)場化”的新階段。</p><p>　　人工檢尺法是利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，操作人員需要爬到儲罐的頂部進(jìn)行測量。這種方法的缺點是測量精度低，速度慢，勞動強度大，不便于微機管理。機械鋼帶式液位儀傳動部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。伺服式液位儀屬機械式測量裝置，機械磨損會直接影響其測量精度，需定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命仍不是很長，測量的重復(fù)精度較低，且安裝困難。雷達(dá)液位儀的測量精度

14、較高，但安裝較為復(fù)雜，而且價格相當(dāng)昂貴。激光的傳播速度很快，不便于信號處理。x射線液位儀使用了放射源，易引起對環(huán)境的污染。</p><p>　　現(xiàn)在已有多種液位儀供用戶選擇，但考慮到價格、安裝的方便與否、測量的精度等等問題，對于資金并不充裕的小型加油站來說，可供選擇的油量測量儀就不多了。研制一種安裝、使用簡便，測量準(zhǔn)確又價格低廉的油量測量儀就是本課題要完成的任務(wù)。</p><p>　　超聲

15、波在空氣中的傳播速度340米/秒，與光的傳播速度(3×108米/秒)相比小很多，因此對超聲波信號的處理也容易很多，加之成本較低，所以，超聲波是比較理想信號源。</p><p>　　隨著智能化檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，利用超聲波進(jìn)行油量檢測在加油站及油庫中起著越來越重要的作用。雖然一些地區(qū)使用了超聲波油量測量儀，但絕大多數(shù)是用集成電路設(shè)計成的，這種專用集成電路成本很高，沒有顯示，操作很不方便。為了克服這些缺點，

16、本課題利用單片機AT89S52為核心，控制超聲波對油量進(jìn)行自動檢測和數(shù)據(jù)處理，提供了一個帶顯示，數(shù)據(jù)發(fā)送的人機對話界面，且能與上位機通信。該超聲波油量測量儀使用簡便，與傳統(tǒng)的測量方法相比具有非接觸、精度高、實時測量、可靠性強等優(yōu)點。</p><p>　　1.3油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)的研究內(nèi)容</p><p>　　目前，市場上的超聲波油量測量系統(tǒng)多數(shù)采用單片機作為液位計控制和運算的核心，

17、主要由硬件決定著測量結(jié)果的精度。在對超聲波傳播特性研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于單片機的油量測量的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并將測量的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送到接收端。實現(xiàn)油量測量的自動化。</p><p><b>　　具體包括：</b></p><p><b>　　油量測量。</b></p><p>　　單片機的選擇與使用。<

18、/p><p>　　無線收發(fā)模塊的選擇和使用。</p><p>　　硬件電路和軟件的調(diào)試。</p><p><b>　　第二章 方案設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1總體設(shè)計思想</b></p><p>　　油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)包括超聲波油量測量和無線數(shù)據(jù)傳輸

19、兩部分。其中超聲波油量測量是根據(jù)“回波測距”的原理設(shè)計的。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收。測出從超聲波發(fā)射脈沖串至接收到回波信號的傳輸時間，即渡越時間，超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的，那么由渡越時間和聲速，就可算出要測的距離。無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用無線收發(fā)模塊來完成。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，本油量測量儀需要將超聲波檢測技術(shù)與無線收發(fā)技術(shù)相結(jié)合，對儲油罐中的油

20、量進(jìn)行自動測量，并能顯示和發(fā)送出有關(guān)數(shù)據(jù)，從而形成與上位機進(jìn)行通訊便于監(jiān)控和管理。油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖 2.1 油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)</p><p>　　油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括AT89S52單片機最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路等部分；軟件部分主要

21、包括系統(tǒng)初始化模塊、超聲波驅(qū)動及信號處理模塊、顯示模塊、無線收發(fā)模塊等，軟件采用模塊化設(shè)計思想，可使程序設(shè)計思路清晰，便于調(diào)試。</p><p>　　2.1.1超聲波的基本特性</p><p>　　本章就超聲波的油量測量原理特點及測量系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析研究。一般聲波都是由機械振動產(chǎn)生的機械波它在不同介質(zhì)中以不同的速度，然而傳播頻率高于20000Hz的聲波稱為超聲波，人耳不能識別。一般用壓電

22、效應(yīng)產(chǎn)生。特點是：1）頻率高波長短定向好；2）振幅小加速度大能量集中功率高強度大；3）在不同介質(zhì)界面上大部分能量反射，因而，超聲波特別適合于距離測量。</p><p>　　超聲波在空氣中的傳播速度主要與空氣的壓力和溫度有關(guān)正常條件下由于大氣壓力變化很小因此其傳播速度主要考慮溫度的影響在空氣中傳播速度為</p><p><b>　　(2.1)</b></p>

23、<p>　　由公式2.1知當(dāng)溫度已知時超聲波速度既定只要記錄從發(fā)射到接收超聲波的時間即可求出被測距離。通過測量接收超聲波能量同樣可以求出被測距離。在傳播的過程中，衰減系數(shù)與聲波介質(zhì)以及頻率的關(guān)系為衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　上面公式2.2中字母都有特定意義，其中，a為衰減系數(shù)，

24、b為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中，聲波在空氣媒質(zhì)中傳播，因空氣運動摩擦的原因，能量被吸收損耗。 頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短?？紤]實際工程的需要，在設(shè)計超聲波液位計時，選用頻率等于40kHz的超聲波，波長為0.85cm。</p><p>　　超聲波入射到兩種不同介質(zhì)的分界面時都會發(fā)生反射折射和透射利用這一特征可實現(xiàn)超聲波的液位測量。</p><p>　　超聲液位測量有定點測

25、量和連續(xù)測量兩種。定點測量一般是在容器某一高度水平上選擇兩點，一點用于發(fā)射超聲波，另一點用于接收超聲波，以判斷隨時間改變的物料是否達(dá)到已知高度；連續(xù)測量則要求檢測出容器中物料任意位置的高度，通常采用從容器的頂部連續(xù)向物料發(fā)射超聲波的檢測方法，連續(xù)測量液位時利用反射原理發(fā)射換能器發(fā)出超聲波脈沖，到達(dá)物面后反射回來由接收換能器接收。根據(jù)超聲波往返時間在已知聲速的條件下即可測得液位（即利用超聲波測量距離的原理）。</p><

26、;p>　　2.2超聲波測距的理論分析</p><p>　　在超聲波檢測技術(shù)中，主要是利用超聲波反射、折射、衰減等一些物理性質(zhì)來實現(xiàn)檢驗的目的。超聲波測量方法有很多，如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應(yīng)用最廣泛的是超聲波脈沖回波法。它的基本工作原理是:發(fā)射聲波傳感器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，通過傳聲媒介傳到被測液面，形成反射波;反射波再通過傳聲介質(zhì)返回到接收傳感器，傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由

27、儀表計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，利用公式3就可以確定液位的高度了。公式2.3中的V對于液介和氣介方式，分別是液體和氣體媒質(zhì)中的聲速，對于固介的方式，它是所選用的聲波波形(縱波、橫波、彎曲波、扭轉(zhuǎn)波等)在傳聲固體中的傳播速度。從超聲波脈沖傳播的時間來確定液位都必須己知傳聲媒質(zhì)的聲速。然而，對于氣介式和液介式超聲波液位計，聲速會隨媒質(zhì)的組成、溫度、壓強的變化而變化。在固介中不同波形也有不同的傳播速度

28、。因此，只有當(dāng)測試條件比較理想，媒質(zhì)的成分、溫度、壓強等沒有很大變化，才可把傳聲媒質(zhì)的聲速近似看成不變，直接由測量的聲波傳播時間來確定液位，否則就應(yīng)該對傳聲媒質(zhì)的聲速進(jìn)行校正。</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　圖2.2 超聲波夜位檢測儀示意圖</p><p>　　根據(jù)圖2.2可知，由公式2.3所計算得到的傳播

29、距離到液面的距離為S。設(shè)傳感器到液面的距離為h，s和h的換算關(guān)系為所求。</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　得到的h是實際液位。其中，θ為發(fā)射超聲波的入射角。設(shè)超聲波的發(fā)射傳感器和接收傳感器距離容器底部的距離為L，傳感器之間的距離為m，那么液位的計算公式為</p><p><b>　　(2.5)<

30、;/b></p><p>　　然而，公式(2.5)只是理論上可以實行的計算方式。在實際應(yīng)用中，這個計算方式是不能廣泛的運用的。在實際應(yīng)用中，超聲波傳感器到儲油罐油面的距離通常用公式(2.3)來完成計算。</p><p>　　根據(jù)傳聲媒質(zhì)的不同，超聲波液位測量技術(shù)可分為氣介式、液介式或固介式三類。根據(jù)所用傳感器的工作方式，又可分為自發(fā)自收單傳感器方式和一發(fā)一收雙傳感器方式。組合后可以得

31、到的六種檢測方式。一般說來，單探頭的自發(fā)自收工作方式是優(yōu)先考慮采用的。這是因為單探頭方式中液位計算公式比較簡單，同時檢測系統(tǒng)也簡單，安裝、維修比較方便。但是，本文采用的是壓電陶瓷傳感器，由于壓電陶瓷傳感器的余震較為嚴(yán)重，單發(fā)單收的探頭檢測死區(qū)較大。為避免這一點，本系統(tǒng)采用雙探頭的設(shè)計，即采用兩個超聲波傳感器：一個用來接收，一個用來發(fā)射。采用的傳播介質(zhì)為氣體。本文采用的是壓電陶瓷傳感器，發(fā)射探頭和接收探頭采用兩個傳感器，分別具有發(fā)射超聲波

32、和接收超聲波的功能（將電信號轉(zhuǎn)為超聲波信號同時將接收的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號）。這樣，設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單安裝使用也方便，為進(jìn)行溫度補償通常還將溫度傳感器封裝在探頭中。采用渡越時間檢測法（從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，就是渡越時間）。</p><p>　　顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。因此，實現(xiàn)聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測量精度。這里利用單片機定時器計數(shù)的方法

33、，間接測量時間，可以把聲波傳播的時間精度提高到所需準(zhǔn)確度。</p><p>　　具體的做法是，每隔一定的時間發(fā)射一串超聲波脈沖，發(fā)射脈沖串的同時開始單片機定時器記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號時，停止單片機計數(shù)。單片機定時器所計的時間，就是渡越時間，代入式2.5中，就可以算出油量。</p><p>　　由于液位計量儀的超聲波是不可見波，超聲波傳感器的接收器接收到的信號，是否正好是從液面反

34、射的信號，無法確定，一般存在三種可能情況：</p><p>　?。?）從液面反射的信號；</p><p>　　（2）表井壁反射的信號；</p><p>　　（3）超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)出信號，經(jīng)液面上方的氣體層，穿過液體，在罐底反射，再經(jīng)過液體、氣體，直到被接收器接收。</p><p>　　如果這三個信號都足夠強，就會給信號處理帶來一定的困難

35、，使處理器無法分辨哪個是有用的信號，從而造成測量上的誤差。因此，我們在設(shè)計、制作超聲波液位檢測儀的時候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪個信號，下面將就此問題進(jìn)行討論：</p><p>　　我們知道，超聲波在實際介質(zhì)中傳播時，其能量將隨距離的增大。而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。引起衰減的原因大致有三個：</p><p>　?。?）由聲束擴展引起的衰減；</p><p&g

36、t;　?。?）由散射引起的衰減；</p><p>　?。?）由介質(zhì)的吸收引起的衰減。</p><p>　　下面討論波被反射、折射時的情況：</p><p>　?。?）波束垂直入射到兩種介質(zhì)的界面如圖5所示，當(dāng)聲平面波垂直入射到聲特性阻抗不同的兩種介質(zhì)的平界面時，入射波的能量的一部分進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ，透射波能量為；部分被界面反射，仍在I中傳播，其能量為。</p>

37、<p><b>　　根據(jù)能量守恒定律：</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　圖2.3 波束垂直入射到液面的反射波和透射波</p><p>　　由此可知，在此界面上雖然透射波的聲壓比較大，但是波的能量非常小，幾乎都被反射回空氣介質(zhì)中。由于波的強度正比于振幅的平方，透射波

38、的振幅己很小很小了，以后的傳播過程可以不考慮。</p><p>　?。?）波束斜入射到液面和井壁(如鋁罐)當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)斜入射另一種介質(zhì)時，如兩種介質(zhì)的聲速不同，在界面上會產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。由于折射波不會被接收器接收，我們只考慮波的反射問題。波的反射遵循反射定律，入射角為α，反射角為β，有：</p><p><b>　　(2.7)</b><

39、;/p><p>　　因為入射波和反射波在同一種介質(zhì)里傳播，波的傳播速度都是V，因此有：α=β，即入射角等于反射角。超聲波的方向性很強，擴散得很少，加上這部分信號多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考慮。</p><p>　　由以上分析可知，雖然超聲波在傳播過程中有能量損耗，且波束可以有多種路徑傳播，同時還存在著多種干擾信號，但就接收器接收到的信號強弱而言，只有從液面反射的信號最強

40、。所以可以很容易地將此信號濾出，并對它進(jìn)行處理。</p><p><b>　　2.3超聲波傳感器</b></p><p>　　2.3.1超聲波發(fā)射器</p><p>　　發(fā)射器的作用是形成與被檢測對象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等等。超聲波發(fā)射器的驅(qū)動機構(gòu)包括：反壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、動電效應(yīng)、電磁效應(yīng)

41、，磁致伸縮效應(yīng)等，它恰好是上述超聲波接收器的相反作用，所以從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)射與接收呈一一對應(yīng)的關(guān)系。</p><p>　　發(fā)射器的發(fā)射效率由振子的電/機械變換效率與機械/音響變換的乘積決定，前者取決于振子的材料特性和結(jié)構(gòu)，后者取決于處理聲波傳播介質(zhì)的聲阻差的調(diào)整器。將電致伸縮板，用兩片金屬板做成夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的蘭杰文扳，具有較高的變換效率，多用于水中超聲波發(fā)生器。</p><p>　　2.3.

42、2超聲波接收器</p><p>　　電容式微音器利用張緊的聚脂膜作為感壓膜，膜的上表面涂敷金屬，下表面朝向金屬電極。壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。電致伸縮型微音器的接收器用反壓電效應(yīng)大的電介質(zhì)板或薄膜作為接收器。在壓電膜上制作梳狀電極，可以構(gòu)成檢測超高頻段的聲表面波的傳感器。動圈式微音器的結(jié)構(gòu)為在磁場中放置帶有受音板的可動線圈或?qū)w帶，當(dāng)它們因超聲波而運動時，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻

43、。</p><p>　　電磁效應(yīng)型接收器的結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設(shè)置拾音線圈。當(dāng)超聲波傳來時，受音板發(fā)生位移，使磁路磁場發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動勢?；诜创胖律炜s效應(yīng)的超聲波接收器的構(gòu)造主要有用磁致伸縮材料構(gòu)成的線圈狀結(jié)構(gòu)，適用于低頻;還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面上形成的結(jié)構(gòu)，適用于高頻，前者檢測感應(yīng)電流；后者檢測置于靜磁場空腔諧振器內(nèi)，因超聲波導(dǎo)致的磁阻致伸縮效應(yīng)引起的微波磁場。

44、</p><p>　　2.3.3 T/R40超聲波傳感器</p><p>　　超聲波傳感器具有發(fā)射超聲波和接收超聲波的功能，它是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件。超聲波傳感器有機械方式和電氣方式兩種，其工作原理是：(1)發(fā)射傳感器將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波能量；(2)接收傳感器將超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測的能量，通常是電能和超聲波聲能之間的轉(zhuǎn)換。機械方式包括：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng)笛等：電氣方式包

45、括：壓電型、磁致伸縮型和電動型等。各種類型的超聲波傳感器產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性不盡相同。</p><p>　　目前使用較多的是壓電陶瓷超聲波傳感器。壓電型超聲波傳感器的工作原理:它是借助于壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器有2塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩極加上脈沖信號，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時候，壓電晶片就會產(chǎn)生共振，并帶動共振板一起振動，從而產(chǎn)生超聲波。相反，如果電極間未

46、加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號時。將壓迫兩片壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能，此時的傳感器就成了超聲波接收器?？諝庵蓄l率較低的超聲波耦合良好，所以本系統(tǒng)選用40KHz的T/R40-16型壓電陶瓷超聲波傳感器。T/R40-16超聲波傳感器在輸入頻率為40KHz時，各種特性呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。</p><p>　　(1)超聲波傳感器型號代碼</p><p>　　例：T/R 40_16。T：發(fā)射

47、。R：接收。40：中心頻率(KHz)。16：外殼直徑(mm)。</p><p>　　當(dāng)T/R40超聲波傳感器在輸入頻率為40KHz時，各種性能都呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)，因此為了得到最佳效果必須使單片機輸出方波的頻率為40KHz。</p><p>　　2.4顯示電路部分的方案設(shè)計</p><p>　　在顯示數(shù)據(jù)中，我們既可以采用LED顯示也可以采用LCD顯示，但是考慮到價錢、

48、使用壽命以及功耗等方面的原因，最終確定顯示電路部分采用4位共陽的LED數(shù)碼管來顯示，其中包括兩個小數(shù)位和兩個整數(shù)位。因為該設(shè)計在實際應(yīng)用中的數(shù)值不會超過100。位驅(qū)動采用三極管作為驅(qū)動LED來完成。</p><p>　　2.5無線收發(fā)模塊部分的方案設(shè)計</p><p>　　無線傳輸部分的設(shè)計，主要是無線收發(fā)模塊的選擇。目前市場上的無線收發(fā)模塊種類繁多，功能也不盡相同，價格也不同。例如，NR

49、F2401A的最高工作速率1Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，內(nèi)置硬件8/16位CRC校驗和點對多點通信地址控制，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便；內(nèi)置專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC 開關(guān)電源均有很好的通信效果；CLK，DATA，DR三線接口，軟件編簡單。但是在開闊無干擾條件下，通信距離才僅有100米左右；還有PTR4500、PTR4000等，雖然無線速率較高，但是其傳輸距離較短，一般為50—80米。綜合本系統(tǒng)

50、在實際中的應(yīng)用，以及考慮到性價比等多方面的因素。最終選擇了nRF905無線收發(fā)模塊。</p><p>　　nRF905是NordicVLSI公司推出的一款無線收發(fā)芯片。采用的ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速MCU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋。32腳封裝(32LQFN5x5ram)，供電電壓為1．9～3．6V，工作于433／868／915MHz三個ISM(T業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)

51、)頻道。微處理器可以通過SPI接口及相關(guān)指令訪問nRF905的寄存器，功耗低，高抗干擾GFSK調(diào)制，可跳頻，載波檢測輸出，地址匹配輸出以及數(shù)據(jù)就緒輸出。這個模塊接收發(fā)送功能合一，符合本設(shè)計的需求，而且433MHZ開放ISM頻段可免許使用，以及其最高發(fā)射速率50KBPS，10dbm發(fā)射功率條件下，配置外置鞭狀天線有效通信距離在300米左右，這個距離基本上達(dá)到了我們這個設(shè)計在實際應(yīng)用中，對距離的要求。而且抗干擾性能強，很強的擾障礙穿透性能。

52、內(nèi)置硬件8/16位CRC校驗，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，降低系統(tǒng)開發(fā)難度。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給應(yīng)用的微控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定，該系統(tǒng)中波特率設(shè)置為4800bps，可以順利完成數(shù)據(jù)的傳</p><p><b>　　2.6單片機的選擇</b></p><p>　　作為超聲波液位儀系統(tǒng)的核心部件，單片機的選

53、擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有51系列的8位單片機及面向大量數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP)。DSP器件在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，從長遠(yuǎn)看是一個必然的趨勢，但目前DSP器件的使用偏重于高端應(yīng)用領(lǐng)域，對于智能儀表所開發(fā)的功能得不到充分利用，不能很好的體現(xiàn)器件優(yōu)勢。51單片機具有開發(fā)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，尤其是在ATMEL公司將Flash存儲技術(shù)應(yīng)用到單片機產(chǎn)品中，將Flash存儲

54、技術(shù)與Intel公司的MCS-51核心技術(shù)相結(jié)合，形成了AT89系列單片機。</p><p>　　AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能，CMOS8位單片機，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大，AT

55、89S52單片機的高性價比，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。</p><p><b>　　第三章 硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1超聲波油量測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計思想</p><p>　　按設(shè)計要求，根據(jù)超聲波測距原理，以AT89S52單片機系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波油量測量系統(tǒng)。它的各部分電路的說明如下：</p><p&g

56、t;　　1、超聲波發(fā)射電路的作用是將單片機送來的40KHz的脈沖信號進(jìn)行放大，以滿足超聲波發(fā)射傳感器的驅(qū)動要求。</p><p>　　2、超聲波接收電路主要包括放大、電壓比較和中斷信號輸出等部分。它是用來對接收到的回波進(jìn)行放大和整形，即將回波信號轉(zhuǎn)換成單片機的中斷信號。</p><p>　　3、顯示電路主要是把測出的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進(jìn)行顯示。</p><p>　　4、

57、根據(jù)設(shè)計要求：系統(tǒng)計算出油罐的油量后要通過無線收發(fā)模塊把測量的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。需要用到一個NRF905無線收發(fā)模塊。</p><p>　　5、綜合以上的設(shè)計要求，選用了比較常用的AT89S52單片機最小系統(tǒng)作為超聲波油量測量儀的核心部分，其主要任務(wù)是①發(fā)出40KHz的脈沖串用來驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波；②通過定時器T1對超聲波的傳輸時間進(jìn)行計時；③根據(jù)測出的時間和有關(guān)參數(shù)計算出距離等數(shù)據(jù)；④把測量好的數(shù)據(jù)通過

58、無線收發(fā)模塊發(fā)送出去。</p><p>　　3.2超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.2.1超聲波發(fā)射電路功能</p><p>　　超聲波發(fā)射器在幅度為20V，頻率為40KHz的方波驅(qū)動下，發(fā)出頻率為40KHz的超聲波，遇障礙物后反射，由超聲波的接收器接收回波。由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳播速度不變，因此通過單片機的定時器可測出超聲波脈沖串發(fā)射至接收到回波信號所

59、需的時間t，根據(jù)公式，即可算出超聲波傳感器到障礙物之間的距離，其中V為超聲波的傳播速度。</p><p>　　由于要測量的距離不固定，可能還是動態(tài)的，所以用AT98S52的P2.6管腳，發(fā)出間歇式的脈沖串(每8個脈沖為一串)，等到接收到回波并計算出距離后再發(fā)下一串脈沖。這樣發(fā)一次脈沖測量一次距離。</p><p>　　3.2.2超聲波發(fā)射電路的設(shè)計</p><p>

60、　　根據(jù)硬件設(shè)計思想，這部分電路要將單片機P2.6管腳輸出的40KHz脈沖信號的幅度放大20V左右，以滿足超聲波傳感器發(fā)射器的要求，所以超聲波發(fā)射電路主要是由一個含有三極管A966的放大電路、變壓器和一個超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。由于采用普通的非門驅(qū)動時，超聲波發(fā)送的距離較近，不能滿足系統(tǒng)的要求。所以采用了變壓器和三極管來驅(qū)動發(fā)射電路。由于要通過變壓器來增大輸出信號的能量，輸出信號是40KHz，所以選擇的是高頻變壓器。原理圖如圖3.1所示：

61、</p><p>　　由第二章的討論可以知道，油量測量儀所用的T/R40-16型超聲波傳感器在頻率40KHz，幅值20V的電壓驅(qū)動下，各種性能最佳，所以通過單片機的P2.6管腳輸出40KHz的脈沖信號給發(fā)射電路。由于單片機P2.6口的輸出電壓為5V，其驅(qū)動能力達(dá)不到要求，所以用了一個三極管來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射器。它的工作原理是這樣的：P2.6管腳輸出頻率為40KHz的方波，用來控制三極管的導(dǎo)通與截止，從而在變

62、壓器的輸入端得到一個幅度將近20V的方波，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。變壓器在這里主要起隔離作用。</p><p>　　3.3超聲波接收電路</p><p>　　3.3.1超聲波接收電路功能</p><p>　　超聲波接收器將接收到回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號(正弦波)，經(jīng)過CX20106A進(jìn)行整形濾波等一系列的處理以后，從引腳7輸出給單片機。整個接收電路中的主要部

63、分就是CX20106A芯片的應(yīng)用。</p><p>　　CX20106A的引腳注釋如下：</p><p>　　l腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40。</p><p>　　2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)

64、增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.7，C=3.3μF。</p><p>　　3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μF。</p><p><b>　　4腳：接地端。</b></p

65、><p>　　5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200時，，若取R=220，則中心頻率。</p><p>　　6腳：該腳與GND之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。</p><p>　　7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一

66、個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。</p><p>　　8腳：電源正極，4.5V～5V。</p><p>　　3.3.2超聲波接收電路的設(shè)計</p><p>　　通過油面反射回來的超聲波被R傳感器接收到后，經(jīng)過CX20106A對回波信號進(jìn)行前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等處理后，輸出的低電平

67、作為AT89S52外部中斷0的中斷信號使AT89S52產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計數(shù)器T0的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。超聲波接收電路的原理圖，如圖3.2所示。</p><p>　　3.4顯示電路的設(shè)計</p><p>　　油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)的顯示電路，用于顯示該系統(tǒng)測量出來的油量。整個顯示電路采用4位共陽LED動態(tài)顯示。對于動態(tài)顯示電路一般是利用CPU控制電路來控制顯示塊的導(dǎo)通和

68、截止。</p><p>　　數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的

69、數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。段選用的是P0口，位選采用的是P2.0-P2.3。油庫儲油罐油量自動測量系統(tǒng)的顯示電路原理圖，如圖3.3所示。</p><p>　　3.5無線收發(fā)模塊的選擇</p><p>　　nRF905采用Nordic公司的VLSIShockBurst技術(shù)。芯片的接口大致分為三類。模塊原理圖如圖14所示。</p><

70、;p>　　1、模式控制接口：該接口由PWR、TRX_CE、TX_EN組成控制由nRF905組成的高頻頭的四種工作模式：掉電和SPI編程模式；待機和SPI編程模式；發(fā)射模式；接收模式。</p><p>　　2、SPI接口：SPI接口由CSN、SCK、MOSI以及MISO組成。在配置模式下單片機通過SPI接口配置高頻頭的工作參數(shù)；在發(fā)射/接收模式下單片機SPI接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。</p><

71、p>　　3、狀態(tài)輸出接口：提供載波檢測輸出CD，地址匹配輸出AM，數(shù)據(jù)就緒輸出DR。</p><p><b>　　3.5.1芯片特點</b></p><p>　　(1)433Mhz開放ISM頻段免許可證使用</p><p>　　(2)最高工作速率50kbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合</p>&l

72、t;p>　　(3)125頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要</p><p>　　(4)內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制</p><p>　　(5)低功耗1.9-3.6V工作，待機模式下狀態(tài)僅為2.5uA</p><p>　　(6)收發(fā)模式切換時間<650us</p><p>　　(7)模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會

73、輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示)，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便</p><p>　　(8)TXMode：在+10dBm情況下，電流為30mA；RXMode：12.2mA</p><p>　　(9)標(biāo)準(zhǔn)DIP間距接口，便于嵌入式應(yīng)用</p><p>　　(10)RFModule-Quick-DEV快速開發(fā)系統(tǒng)，含開發(fā)板</p><p>&l

74、t;b>　　3.5.2芯片結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　芯片外接管腳如圖7所示。</p><p>　　MOSI／MISO是發(fā)射／接收數(shù)據(jù)的通道；TRX—CE，TX—EN是收／發(fā)通道的控制端；PWR—UP是工作模式控制端，CSN、sCK為串行接口控制端；CD是接收模式下載波監(jiān)測信號輸出端；AM是接收到正確的數(shù)據(jù)包地址后芯片指示信號的輸出端；DR是發(fā)射完一個數(shù)據(jù)包后芯片指

75、示信號的輸出端；uPCLK是芯片提供的一個可設(shè)置的時鐘源信號輸出端。nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、通信協(xié)議控制等模塊，曼徹斯特編碼／解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼?？勺詣犹幚碜诸^和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。由于nRF905采用抗干擾能力強的高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方式，抗干擾能力強，能很好的減少噪聲環(huán)境對系統(tǒng)性能的干擾。</p><p&

76、gt;　　圖3.4 NRF905引腳圖</p><p><b>　　3.5.3工作模式</b></p><p>　　nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是接收模式和發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX—CE、TX—EN和PWR—UP三個引腳決定。詳見表3.1。</p><p>　

77、　表3.1芯片的工作及節(jié)能模式</p><p>　?。?）ShockBurst模式</p><p>　　在ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF905自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，DR引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。</p><p>　?。?）ShockBurst

78、TX發(fā)送流程</p><p>　　A.當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給RF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定；</p><p>　　B.微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)RF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；</p><p>　　C.RF905的ShockBurstTM發(fā)送：</

79、p><p>　　(1)射頻寄存器自動開啟；</p><p>　　(2)數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)；</p><p><b>　　(3)發(fā)送數(shù)據(jù)包；</b></p><p>　　(4)當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高；</p><p>　　D.AUTO_RETRAN被置高，RF905不斷重發(fā)，

80、直到TRX_CE被置低；</p><p>　　E.當(dāng)TRX_CE被置低，RF905發(fā)送過程完成，自動進(jìn)入空閑模式。</p><p>　?。?）ShockBurstRX接收流程</p><p>　　A.當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時，RF905進(jìn)入ShockBurstTM接收模式；</p><p>　　B.650us后，RF905不斷監(jiān)測

81、，等待接收數(shù)據(jù)；</p><p>　　C.當(dāng)RF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；</p><p>　　D.當(dāng)接收到一個相匹配的地址，AM引腳被置高；</p><p>　　E.當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，RF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把DR引腳置高</p><p>　　F.微控制器把TRX_CE置低，nRF9

82、05進(jìn)入空閑模式；</p><p>　　G.微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；</p><p>　　H.當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把DR引腳和AM引腳置低；</p><p>　　I.nRF905此時可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機模式。</p><p><b&

83、gt;　　（4）節(jié)能模式</b></p><p>　　nRF905的節(jié)能模式包括關(guān)機模式和空閑模式。</p><p>　　3.5.4穩(wěn)壓電源的設(shè)計</p><p>　　由于NRF905無線收發(fā)模塊的工作電壓為1.9-3.6V左右。而單片機所用的電壓為5V左右。所以采用AMS1117穩(wěn)壓器。</p><p>　　AMS1117系列穩(wěn)

84、壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時，AMS1117器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。AMS1117的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。</p><p>　　AMS1117三端口可調(diào)節(jié)或固定輸出電壓1.5V,1.8V,2.5V,2.85V,3.3V

85、和5.0V。輸出電流1A工作壓差低至1V線荷載調(diào)節(jié)：0.2%Max。負(fù)載調(diào)節(jié)：0.4%Max。</p><p>　　本設(shè)計中采用的其型號為AMS1117-3.3，從而得到輸出電壓3.3V左右。具體原理圖如圖3.5所示。</p><p>　　3.5.5無線收發(fā)模塊原理圖</p><p>　　通過AMS1117穩(wěn)壓電源的管腳2對NRF905模塊進(jìn)行供電，部分管腳與單片機

86、直接連接。具體原理圖如圖3.6所示。</p><p>　　3.6 綜合選擇單片機</p><p>　　在整體的設(shè)計中，超聲波發(fā)射、接收傳感器需要用到2個I/O口，產(chǎn)生40KHz的脈沖用到T1定時器，回波的時間計算用T0定時器作為計時功能。顯示電路用8個I/O口作為段選和4個I/O口作為位選。按鍵啟動控制占用一個I/O口。市場上面比較通用的單片機為51系列單片機，綜合以上的要求，以及市場價格

87、等多方面原因，我們選擇使用AT89S52單片機。</p><p>　　AT89S52單片機最小系統(tǒng)由AT89S52單片機及其外圍電路組成，是整個超聲波油量測量儀的核心電路。它通過定時器T0發(fā)出40KHz的脈沖信號來驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波:通過定時器T1來測量超聲波的傳輸時間；測量出時間后根據(jù)要求計算出各種需要的數(shù)據(jù)。</p><p>　　(1)AT89S52的主要性能包括：</p

88、><p>　　1、與MCS-52微控制器產(chǎn)品系列兼容</p><p>　　2、片內(nèi)有8K字節(jié)的可在線重復(fù)編程快閃擦寫存儲器(FlashMemory)</p><p>　　3、編程所需的所有時序和電壓，均不需外部電路供給</p><p>　　4、存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次</p><p>　　5、存儲數(shù)據(jù)保存時間為10

89、年</p><p>　　6、寬工作電壓范圍：VCC可由2.7V到6V</p><p>　　7、全靜態(tài)工作：可由0Hz到16MHz</p><p>　　8、程序存儲器具有3級鎖存保護(hù)</p><p>　　9、128X8位內(nèi)部RAM</p><p>　　10、32條可編程I/O線</p><p>　

90、　11、三個16位定時器/計數(shù)器</p><p>　　12、中斷結(jié)構(gòu)具有5個中斷源和2個優(yōu)先級</p><p>　　13、可編程全雙工串行通道</p><p>　　14、空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護(hù)存儲內(nèi)容</p><p>　　單片機管腳圖，如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 單片機管腳圖</p&

91、gt;<p>　　(2)AT89S52內(nèi)部分工</p><p>　　AT89S52內(nèi)部有256個字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實際提供給用戶使用的只有128個字節(jié)(00H-7FH)，另128個字節(jié)(80H-FFH)是特殊寄存器區(qū)。本系統(tǒng)的內(nèi)存分配詳見軟件設(shè)計部分。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個16位的定時器/計數(shù)器，在本系統(tǒng)中定時器T0用來做脈沖輸出的定時器，定時器T1用來測量超聲

92、波的傳輸時間，T2用作通信協(xié)議中波特率的設(shè)定。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p><b>　　4.1軟件總體設(shè)計</b></p><p>　　4.1.1軟件設(shè)計總體框圖</p><p>　　目前單片機的主流編程語言有匯編語言和C語言兩種。匯編語言的優(yōu)點是程序效率高、代碼短，但存在可讀性可移植性差

93、的缺點。C語言的優(yōu)點是可讀性好、可移植性好的優(yōu)點，但存在代碼效率較低、代碼較長的缺點?？紤]超聲波液位測量系統(tǒng)測量速度要求不高，數(shù)據(jù)計算量大的特點，超聲波液位測量系統(tǒng)采用C語言編寫。運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。</p><p>　　軟件設(shè)計的思路是：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后判斷是否有鍵按下，接著發(fā)射脈沖串，計時以及計算油

94、的深度等數(shù)據(jù)，并且將NRF905置于接收模式，當(dāng)接收到上位機的指令時，單片機將調(diào)用不同的功能模塊，最后將所測得的數(shù)據(jù)發(fā)送出去?？傮w流程圖如圖4.1所示</p><p>　　軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。按照液位測量儀的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機生40kHz的脈沖，驅(qū)動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同

95、時采用計數(shù)器計時；當(dāng)超波接收器接收到回波信號時停止計時，由此得出超聲波的傳輸時間T，再利用二章所介紹的公式，可求出待測距離h，由此算出液體的高度。</p><p>　　4.2超聲波發(fā)送與數(shù)據(jù)處理模塊</p><p>　　4.2.1超聲波驅(qū)動模塊的流程圖</p><p>　　T/R40_l6型超聲波換能器在輸入脈沖為40KHz左右時，各種性能都達(dá)到最佳，所以要求單片機

96、發(fā)射出頻率為40kHz左右的脈沖序列。為了節(jié)約硬件成本，本檢測儀采用AT89S52的內(nèi)部定時器T0作為發(fā)射脈沖的定時器。根據(jù)頻率與周期的關(guān)系，很容易計算出其周期為25，由于采用的晶振為12MHz，即每執(zhí)行一條指令需用時1，所以定時器T1的定時時間只能取12，也就是說每隔12us的時間就讓輸出信號翻轉(zhuǎn)一次，這樣輸出信號就變成了頻率將近為40KHz的脈沖序列。因為定時時間短，所以T1可采用常數(shù)自動重新裝入的方式2進(jìn)行工作，這樣能減少T1中斷

97、服務(wù)程序執(zhí)行的時間。脈沖序列是通過P2.6管腳輸出的，經(jīng)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。當(dāng)然根據(jù)設(shè)計的要求P2.6管腳發(fā)出的應(yīng)該是脈沖串(每8個脈沖為一串)，以滿足測量的要求。脈沖串發(fā)送完畢后，首先調(diào)用一段延時程序，用來屏蔽超聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭引起的干擾，然后允許外部中斷0中斷。超聲波發(fā)送流程圖，如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 超聲波發(fā)送流程圖</p>&

98、lt;p>　　4.2.2外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序以及數(shù)據(jù)處理</p><p>　　在啟動T1發(fā)射脈沖的同時，AT89S52的內(nèi)部計數(shù)器T0開始計數(shù)。T0的作用就是測量從超聲波發(fā)射至接收到回波的時間，外部中斷0的中斷源INT0接超聲波接收電路的輸出。當(dāng)接收電路接收到反射的回波后，產(chǎn)生外部中斷信號，引起AT89S52的外部中斷0中斷，進(jìn)入外部中斷處理子程序。外部中斷0處理子程序的主要作用是（1）產(chǎn)生中斷后

99、立即關(guān)閉計數(shù)器T0，并讀出超聲波的傳輸時間；（2）利用傳輸時間和聲速計算出油的深度和體積；（3）講數(shù)據(jù)存入指定單元并送去顯示。</p><p>　　工作過程是：首先讓T0停止計時，禁止外部中斷0中斷，然后根據(jù)T0產(chǎn)生中斷的次數(shù)以及定時器初值的變化得到超聲波的傳輸時間T，再調(diào)用計算子程序求出油量的深度和體積，并將計算結(jié)果暫存到指定單元。最后恢復(fù)T1定時，T0重新計數(shù)，跳出外部中斷處理子程序，等待下次外部中斷。具體流

100、程圖如圖4.3所示。</p><p>　　4.3無線收發(fā)模塊流程圖</p><p>　　為了便于數(shù)據(jù)的存儲和管理，需要超聲波油量測量系統(tǒng)與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機中，操作人員可以通過這些數(shù)據(jù)清楚地了解當(dāng)前的儲油罐的油量情況。</p><p>　　本設(shè)計采用了比較方便的NRF905無線收發(fā)模塊，油量的數(shù)據(jù)一直處于測量的狀態(tài)，同時NRF905不斷的檢測

101、是否有數(shù)據(jù)傳入，如果接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的分析之后，把此時所測量的油量數(shù)據(jù)通過該模塊發(fā)送出去。無線收發(fā)模塊接收、發(fā)送流程圖如圖4.4、圖4.5所示。</p><p>　　第五章 實驗結(jié)果及社會經(jīng)濟效益分析</p><p><b>　　5.1實驗結(jié)果</b></p><p>　　超聲波油量測量儀用于非接觸式測量，表5.1為測量的結(jié)果。測得的實際

102、距離為超聲波傳感器到油面間的距離，即</p><p><b>　　再由計算公式</b></p><p>　　即可求出油的高度h。由于儲油罐高度不確定，所以L的值也不確定，只能測量出s。</p><p><b>　　表5.1</b></p><p><b>　　5.2誤差分析</b&g

103、t;</p><p>　　由以上的公式可知，測量結(jié)果主要是由聲速的影響。聲速隨溫度變化的規(guī)律為：</p><p>　　在室溫下，溫度變化一度，超聲波速度就變化0.67m/s。如果聲速隨溫度的變化較劇烈，將產(chǎn)生比較大的誤差。而超聲波油量測量儀安裝于露天環(huán)境，溫度變化很大，因此，必須進(jìn)行溫度補償。及時修改計算公式中的聲速值，以便獲得更精確的測量結(jié)果。</p><p>　

104、　5.3超聲波油量測量系統(tǒng)的優(yōu)缺點</p><p><b>　　優(yōu)點：</b></p><p>　　(1)非接觸式測量，超聲波換能器安裝在液面上方，不與被測介質(zhì)接觸，可方便的測量腐蝕性、粘稠或有毒液體，避免被被測液體腐蝕或污損，免于維護(hù)。</p><p>　　(2)通用性好，自動測量系統(tǒng)既可測量開渠液位，也可測量大型儲罐等的液體液位。安裝拆卸方

105、便。</p><p>　　(3)適應(yīng)性強，使用范圍廣，不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，對被測液體的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強。</p><p>　　(4)適用于有毒、有腐蝕、高粘度的液體液位測量，彌補了其他液位計在此類惡劣測量環(huán)境中的不足。</p><p>　　(5)幾乎沒有機械可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。換能器內(nèi)的壓電元件以聲頻振動，振幅小，壽命長

106、。穩(wěn)定性好。</p><p>　　缺點：主要表現(xiàn)在被測液體易揮發(fā)時，液面上方的空氣密度不均勻，會導(dǎo)致測量誤差較大當(dāng)被測液體液位有較大波浪時，易引起聲波反射混亂，產(chǎn)生誤差。另外，超聲波液位計測量液位時有無法避免的盲區(qū)，因此小距離測量比較困難。</p><p>　　5.4存在問題及展望</p><p>　　本課題的研究僅僅是個開始，要研制功能更強，測量精度更高的超聲液位

107、儀還需解決以下問題：</p><p><b>　　1.提高精度</b></p><p>　　從實驗結(jié)果來看，超聲波的傳播速度是影響測量精度的關(guān)鍵。采用溫度傳感器實時測量溫度，才有可能得到準(zhǔn)確的速度。</p><p>　　建議在下一屆學(xué)生做這類畢業(yè)設(shè)計的時候，安排溫度實測補償，從而可以更準(zhǔn)確的測得數(shù)據(jù)。溫度補償部分可以采用DS18B20溫度傳感器

108、，這樣可以及時的測量到溫度，然后計算出相對準(zhǔn)確的超聲波波速。</p><p>　　2.不斷完善接收電路</p><p>　　除了超聲波速度和傳播時間的準(zhǔn)確測量的要求外，在回波接收模塊中，接收通道對信號的放大、濾波、噪聲抑制等功能還需進(jìn)一步完善和提高。</p><p>　　如前幾章所述，超聲液位儀具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉等優(yōu)點。本論文所進(jìn)行的研究只是一個開始，