基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目： 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界 液面高度測量裝置的研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的 指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和 致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不 包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。 對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的 說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用

2、授權(quán)說明使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本； 學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱 覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在 不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所 取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集

3、體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的 法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意 學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文 被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或 部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手 段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名：日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) 1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制

4、作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（300 字左右） 、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論） 、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） 2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序 清單等） ，文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 1.2 萬字。 3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件） 。 4.文字、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別 字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有

5、圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書 寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 a4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 5.裝訂順序 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 摘要 液面高度測量在工業(yè)應(yīng)用中十分廣泛，但目前市場的測量裝置很少考慮液面高度 不一致的問題。本設(shè)計(jì)在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用三個(gè)超聲波測距傳感器共同測 量液位高度，解決了液面高度不一致時(shí)的平均高度測量問題。在本

6、文中詳細(xì)討論了超 聲波測距的相關(guān)原理，探討了影響超聲波測距精度的因素及一些解決辦法；提出了通 過三點(diǎn)測量液位，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到不一致液面高度的平均高度測量的方法；完成 了基于 stc89c52 單片機(jī)的液面高度測量系統(tǒng)的研制，最終通過系統(tǒng)改進(jìn)，使得測量 誤差保持在 2cm 以內(nèi)；利用研制的裝置完成了大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和 分析，提出了設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見。 關(guān)鍵詞：液面測距；超聲波測距；hc-sr04；超聲波傳感器；ds18b20 the research based on multi-sensor fusion of complex boundary liquid surface h

7、eight measurement device abstract liquid surface height measurement is widely used in industrial applications, but the current measuring devices in market seldom consider the situation that liquid surface height not consistent. this design is based on a large number of literature research, using thr

8、ee ultrasonic sensors to measure the distance，solving the average height measurement problem that liquid surface height not consistent .in this design ,we have a detailed discussion of relevant principles of ultrasonic ranging, discussing the influence factors of the ultrasonic ranging accuracy and

9、put forward some solutions.also we put forward a method to measure the average liquid surface height, through measuring three positions heights of liquid level and data processing,finally obtain the average height of the liquid surface with an inconsistent liquid surface.based on the single chip mic

10、rocomputer stc89c52 to complete a design of liquid surface height measurement system, ultimately through system improvement, the measurement error is kept within 2 cm.using the developed device to complete experiments, and processing and analysing the experimental data, also put forward some suggest

11、ions for the design improvement. key words:liquid surface ranging ;ultrasonic ranging ;hc-sr04 ultrasonic sensor ds18b20 目 錄 1 緒論.1 1.1 課題背景及意義.1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.1 1.3 論文的主要研究內(nèi)容.3 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .5 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 .5 2.2 超聲波的傳播 .6 2.3 超聲波測距原理.6 2.4 復(fù)雜液面條件下影響超聲波測量精度的因素.7 2.4.1 空氣溫度因素 .8 2.4.2 液位波動(dòng)和液面表面雜質(zhì)的因素.9 2.4.3

12、 超聲波傳感器之間的回波干擾.9 2.4.4 影響超聲波測量計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性的因素.10 2.5 減小誤差的方案.12 2.5.1 基于多傳感器的多點(diǎn)測量.12 2.5.2 超聲波傳感器錯(cuò)序工作.12 2.5.3 回波信號(hào)放大整形.12 2.5.4 回波信號(hào)前沿分析法.13 2.5.5 回波信號(hào)的包絡(luò)檢測法.14 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .16 3.1 系統(tǒng)的總體方案 .16 3.2 硬件設(shè)計(jì).16 3.2.1 stc89c52rc 單片機(jī).16 3.2.2 穩(wěn)壓電路 .19 3.2.3 超聲波探頭組 .19 3.2.4 溫度校正模塊 .22 3.2.5 顯示模塊 .26 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .27 4

13、.1 系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì).27 4.2 超聲波發(fā)射與接收控制.28 4.3 溫度矯正模塊.29 4.4 顯示模塊.30 5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析.31 5.1 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與分析.31 5.2 系統(tǒng)誤差分析.33 5.2.1 溫度因素 .33 5.2.2 定時(shí)器因素 .33 5.2.3 單片機(jī)運(yùn)算精度的因素.34 5.3 系統(tǒng)改進(jìn)后結(jié)果.34 5.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) .36 參考文獻(xiàn).37 致謝.39 附錄.40 附錄 a 系統(tǒng)源程序 .40 附錄 b 電路原理圖.40 附件 1：畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.40 附錄 2：外文文獻(xiàn)翻譯.40 1 緒論 1.1 課題背景及意義 液面高度測量在工業(yè)應(yīng)用中十分廣

14、泛，在許多工業(yè)測距的場合中，由于復(fù)雜環(huán)境、 工作要求等條件的限制，往往需要采用非接觸式的測量方法。在石油、化工等企業(yè)中， 多采用儲(chǔ)槽、容器存儲(chǔ)液體產(chǎn)品，這就需要實(shí)時(shí)監(jiān)測液位變化。傳統(tǒng)的液位測量主要 由人工操作，隨著一些行業(yè)的發(fā)展，對(duì)液位的測量精度和范圍提出了更高的要求，如 今，各種自動(dòng)化測量儀表被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的液位測量中，如電導(dǎo)式、電容式、壓 力式、超聲波式和雷達(dá)式等液位測量儀表，其測量水平已達(dá)到較高的程度1。 雖然現(xiàn)在非接觸式的液面測距方法很多，但目前市場的測量裝置很少考慮液面高 度不一致的問題，這就需要研究用于測量復(fù)雜邊界液面高度的系統(tǒng)裝置。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外對(duì)液面測量的

15、應(yīng)用，主要集中在化工領(lǐng)域，重要方法包括：電容式液位測 量、超聲波液位測量、雷達(dá)液位測量、浮子式液位測量、磁致伸縮液位測量、光纖液 位測量等，各種方法如圖 1-1 如示，但大多數(shù)裝置還是基于液面平穩(wěn)時(shí)的液距測量， 很少考慮到液位不一致時(shí)的復(fù)雜邊界液面高度的測量2。 圖 1-1 各種液位測量的原理圖 目前，國內(nèi)外研究出的液面測量儀器逐漸向著智能化、非接觸測量、小型化的方 向發(fā)展。在液位測量向智能化發(fā)展，同時(shí)，一些基于新的測量原理、新型電子部件構(gòu) 成的小型現(xiàn)場液位開關(guān)也大量應(yīng)用在測量儀器中，使得液位測量儀表的發(fā)展呈現(xiàn)小型 化的趨勢。目前，廣泛采用的液位開關(guān)主要有三種類型：一是利用介質(zhì)對(duì)振動(dòng)體的阻 尼

16、差別來檢測液位的振動(dòng)式液位開關(guān)：二是當(dāng)超聲波穿透空氣及液體時(shí)，利用衰減率 的顯著差別來檢測液面的超聲波液位開關(guān)；三是利用空氣和液體電導(dǎo)率的不同來檢測 液位的電導(dǎo)式液位開關(guān)。液位開關(guān)信號(hào)可現(xiàn)場顯示，還能發(fā)出控制信號(hào)，有的還采用 二線制，能直接和計(jì)算機(jī)接口3。 超聲波測距技術(shù)是一種新的測距技術(shù)。相較于其它方法，如電磁的或光學(xué)的手段， 超聲波不受光線、被測對(duì)象顏色等影響，在被測物處于有灰塵、電磁干擾、黑暗、煙 霧、有毒等惡劣的環(huán)境下時(shí)，超聲波測距儀器仍有一定的適應(yīng)能力。因此超聲波技術(shù) 在物體識(shí)別、機(jī)械手控制、液位測量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航等方面有著廣泛應(yīng)用。特別是氣 介式超聲波測距方法，由于在空氣中超聲波波

17、速較慢，其回波信號(hào)中包含的結(jié)構(gòu)信息 很容易被檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法而言要高一點(diǎn)； 而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。 但在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波液位測量也有很多困難需要克服，首先，超聲波在空氣 中播的過程中會(huì)發(fā)生或多或少的衰減，并且衰減隨著距離的增大而增大；其次，測量 距離不同，接收到的回波信號(hào)的強(qiáng)度要求也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；另外，超聲波傳感器 普遍采用壓電陶瓷片工藝，在工作過程中，多少會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)換慣性的原因而產(chǎn)生延時(shí)、 滯后等現(xiàn)象，引起測量誤差；周圍的環(huán)境因素，例如大氣溫度、濕度的改變也會(huì)對(duì)測 量精度產(chǎn)生影響。所以，如何減小測量誤差是當(dāng)前國內(nèi)外研

18、究人員對(duì)超聲波測距研究 的一個(gè)重要課題。 近十年來，國內(nèi)科研人員在超聲波新型超聲波換能器的研發(fā)、回波信號(hào)的處理方 法等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對(duì)超聲測距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、 接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施。 童峰、許肖梅等4提出了基于最小均方自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)( lmstde) 的算法。通過 該算法能夠消除實(shí)際超聲波換能器與理想換能器之間的頻率特性差，使得整個(gè)測量系 統(tǒng)能夠維持平坦的頻率響應(yīng)，并且輸出最小的均方誤差。趙海鳴等5提出了整形放大 確定回波前沿的測量方法，由于隨著測量距離的變化回波信號(hào)能量發(fā)生變化，從而造 成測量時(shí)間誤差。通過確定回?fù)芮把兀軌蛟?/p>

19、一定程度上消除時(shí)間測量誤差，從而提 高測量精度。付華等6提出利用 elman 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近真實(shí)函數(shù)的方法，提高了 避障系統(tǒng)的測量精確度。只要有足夠的隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，elma 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠以 任意精度逼近任意函數(shù)，該方法能使其測量精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。陳先中等7在最小 二乘原理和能量重心校正法的基礎(chǔ)之上，提出一種基于尋改進(jìn)型橢圓中心的算法確定 超聲回波峰值，通過最小二乘曲線擬合來搜索回波信號(hào)的峰值即橢圓中心點(diǎn)，與包絡(luò) 線法相比，此算法相對(duì)誤差能夠穩(wěn)定在 0.2%，適用于高精度化工距離測量。 光纖液面高度測量技術(shù)是最近十年出現(xiàn)的一種新型液面距離測量技術(shù)，目前已知 的光纖液位測量技術(shù)所采用的

20、具體方法各不相同，具體有利用熒光纖維特性的光纖液 位傳感、遮光式光纖液位傳感、泄漏模式光纖液位傳感、壓力式光纖傳感器測量液位、 磁式光纖液位傳感、反射式光纖傳感器測量液位8。 光纖液面高度測量普遍采用光纖光柵技術(shù)，光纖光柵是最近幾年迅速發(fā)展的光纖 無源器件之一，具有眾多獨(dú)特地優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)周圍環(huán)境像壓力、應(yīng)變、溫度等發(fā)生改變時(shí)， 使得光纖光柵的柵距和折射率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，致使光纖光柵的反射譜和透射譜 發(fā)生變化。通過檢測光纖光柵反射譜、透射譜的變化就可以獲得相應(yīng)的溫度、應(yīng)變或 壓力的信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應(yīng)變和壓力的基本原理。溫度、應(yīng)變和壓 力的變化都能光纖光柵發(fā)生相應(yīng)的改變，因此，如何

21、在變化中區(qū)分出不同的變化，取 出溫度、應(yīng)變和壓力信號(hào)，這是光纖光柵傳感器在普遍應(yīng)用之前必須解決的一個(gè)問題9 10。 雖然光纖液面高度測量所采用的光纖光柵技術(shù)在傳感應(yīng)用中具有一系列的優(yōu)點(diǎn)， 但目前也僅限于實(shí)驗(yàn)室階段，在工業(yè)上的液面高度測量這種方法還并不普遍。光纖光 柵在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一些難題，主要包括：光檢測器波長分辨率的提高、纖光柵 的封裝、波長微小位移的檢測、寬光譜高功率光源的獲得、光纖光柵的可靠性、交叉 敏感的消除等11。 1.3 論文的主要研究內(nèi)容 由于工作要求和復(fù)雜環(huán)境的限制，在工業(yè)測距場合中，常常采用非接觸測距的方 法，非接觸式測距進(jìn)行測量可以完成許多用接觸式測距手段無法完成的檢

22、測任務(wù)。液 面高度測量在工業(yè)應(yīng)用中十分廣泛，但目前市場的測量裝置很少考慮液面高度不一致 的問題。 本設(shè)計(jì)在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用三個(gè)超聲波測距傳感器解決了液面高度不 一致的平均高度測量問題。 本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作： 1、詳細(xì)討論了超聲波測距的相關(guān)原理，探討了影響超聲波測距精度的因素及一些 解決辦法。 2、提出了通過三點(diǎn)測量液位，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到不一致液面高度的平均高度測 量的方法。 3、完成了基于 stc89c52 單片機(jī)的液面高度測量系統(tǒng)的研制，最終通過系統(tǒng)改進(jìn)， 使得測量誤差保持在 2cm 以內(nèi)。 4、利用研制的裝置完成了大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，提出了設(shè)

23、 計(jì)的改進(jìn)意見。 在第二章中介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、超聲波測距的原理及測距過程中導(dǎo)致誤差的 因素和一些解決辦法；在第三章中詳細(xì)介紹了各部分硬件電路的實(shí)現(xiàn)辦法以及一些芯 片的介紹；第四章介紹了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路；第五章是是系統(tǒng)的調(diào)試過程以及調(diào)試 結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)論。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 在復(fù)雜的液位邊界條件下，液位表面通常不平整，此時(shí)，若采用單個(gè)傳感器測距， 測量結(jié)果的誤差較大，所以在精度要求高的場合，需要多個(gè)傳感器測量多組數(shù)據(jù)，經(jīng) 過一定算法，得到更加與實(shí)際液位高度更接近的結(jié)果。 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 按系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)在液位的上方固定多個(gè)測距傳感器，如圖 2-1 所示。在圖 2-1 中，若只是

24、單點(diǎn)測距，傳感器按在 a、b、c 三點(diǎn)的任一點(diǎn)，則測距顯示正常，但 是在 d 點(diǎn)早已超出警戒要求。所以，本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)多個(gè)測距傳感器位于液位上方， 測量多組數(shù)據(jù)，最后基于一定算法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邊界液面條件下所測距離的最佳精確， 所測的實(shí)時(shí)液位高度滿足。其中，s1、s2、sn為 n 點(diǎn)測量的距離，),.,( 321n ssssfh f 是算法函數(shù)。 圖 2-1 復(fù)雜邊界液面的多點(diǎn)測量示意圖 現(xiàn)在具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于選擇每點(diǎn)測距方案，以及選擇所測多點(diǎn)數(shù)據(jù)的融 合算法，而提高每點(diǎn)測距的精確度又是提高系統(tǒng)最終測量結(jié)果的關(guān)鍵。對(duì)比所有可能 的液位測量方案，本文在每一點(diǎn)測距方案上選擇超聲波測距技術(shù)，采用三

25、點(diǎn)法測距， 在液位上方選用三個(gè)超聲波探頭，每組探頭測量若干組數(shù)據(jù)，然后基于一定算法處理 結(jié)果。 超聲波測距技術(shù)現(xiàn)在也越來越成熟，并且超聲波測距不受光線、被測對(duì)象顏色等 因素的影響，對(duì)于被測物體處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境 下具有一定的適應(yīng)能力和很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲 波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號(hào)處理可靠、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，對(duì)于 本科生而言，更加易實(shí)現(xiàn)。 2.2 超聲波的傳播 人的耳朵能分辨在 20hz20khz 之間的聲波頻率，頻率大于 20khz 或小于 20hz 的聲波是聽不見的。因此，我們將頻率高于 20khz 的聲波稱為

26、超聲波。 發(fā)射的超聲波頻率和周期 t 通常只和觸發(fā)超聲波的聲源振動(dòng)頻率和周期有關(guān)，因 此超聲波的頻率和周期是與介質(zhì)本身特性無關(guān)的量12。超聲波的波長是指超聲波的波 峰與波峰(或波谷與波谷)之間的距離，波長與頻率成反比，與速度成正比，關(guān)系如(2-l) 所示。 (2-1) f c 在公式 2-1 中， 為超聲波波長;c 為超聲波傳播速度;f 為超聲波的頻率。 超聲波的傳播速度 c 和聲波波形只與傳播介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度有關(guān)。在相 當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)，速度和頻率變化無關(guān)，即不同頻率的超聲波在相同的傳播介質(zhì)中 速度相同。超聲波是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，在傳播過程中，由于空氣 分子運(yùn)動(dòng)摩擦、

27、空氣中雜質(zhì)等原因，超聲波能量在傳播過程中被吸收損耗，超聲波能 量會(huì)發(fā)生衰減，衰減系數(shù)與超聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為: (2-2) 2 af 在公式 2-2 中: 為衰減系數(shù);a 為介質(zhì)常數(shù);f 為振動(dòng)頻率。 由此可以看出，當(dāng)頻率越高時(shí)衰減系數(shù)越大， ，超聲波在傳播過程中衰減得越厲害， 傳播距離也會(huì)越短。因此，選用合適頻率的超聲波便成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要 的問題。當(dāng)使用的超聲波頻率較小時(shí)，盡管衰減系數(shù)較小，傳播距離遠(yuǎn)，但脈沖的波 長較長，從而影響測量的精度。例如，當(dāng) f=40khz 時(shí)，波長為 0.85 厘米;當(dāng) f=20khz 時(shí)， 波長為 1.7 厘米，顯然，系統(tǒng)的測量精度就會(huì)降低一倍

28、。 因此在設(shè)計(jì)超聲波液位測量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮測量精度和接收時(shí)的強(qiáng)度這兩 個(gè)方面的因素。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過參數(shù)比較后，為了達(dá)到測量精度的要求，也滿足 接受強(qiáng)度等一系列條件，選用了 40khz 的超聲波作為液位測量系統(tǒng)的測量介質(zhì)。 2.3 超聲波測距原理 陶瓷的壓電效應(yīng)是超聲波傳感器工作的基本原理。給超聲波傳感器一個(gè)電脈沖信 號(hào)之后，超聲波發(fā)射探頭便發(fā)出與電脈沖頻率相同的超聲波信號(hào)，后經(jīng)固體或液體物 體表面反射后折回，回波信號(hào)的振動(dòng)能量引起接收傳感器的機(jī)械振動(dòng)，通過壓電效應(yīng) 變成電信號(hào)。目前，超聲波測距系統(tǒng)基本上采用回波法，通過接收和分析回波信號(hào)測 量出整個(gè)超聲波的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的測量

29、。根據(jù)超聲波傳感器工作方式的不 同，可分為一發(fā)一收雙傳感器方式和自發(fā)自收單傳感器方式；根據(jù)超聲波傳播介質(zhì)的 不同，超聲波測量技術(shù)又可分為氣介式和液介式兩種類型。 液介式超聲波液位測量是以液體作為超聲波的傳播媒介。通過在水底或者其他液 體底部安置超聲波傳感器，從下向上定向朝液面發(fā)射超聲波，超聲波到達(dá)液面后，在 液面反射回?fù)Q能器，測得傳輸過程消耗的時(shí)間為 t。但是，在液位很深的情況下，液介 式不易于安裝和維護(hù)此設(shè)備。氣介式13超聲波液位測量是以空氣作為傳播媒介，采用 空氣聲學(xué)回聲測距原理，根據(jù)超聲脈沖在空氣傳播過程中的往返時(shí)間來測量液位。氣 介式超聲波液位測量系統(tǒng)是非接觸式測量，系統(tǒng)安裝維護(hù)方便。

30、本文設(shè)計(jì)的就是采用 氣介式超聲波傳感器的液位測量系統(tǒng)。 氣介式超聲波測距的基本原理如圖 2-2 所示。首先，超聲波傳感器向空氣中發(fā)射超 聲波脈沖，超聲波在遇到被測液面后反射回來，若測出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射 脈沖間的時(shí)間差 t，利用公式，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離 s14 。測量tv 2 1 s 距離 ，若時(shí)，則 ds；若采用收發(fā)同體傳感器，故 h0，則 2 2 2 d h shs 。tv 2 1 sd 圖 2-2 超聲波測距原理 2.4 復(fù)雜液面條件下影響超聲波測量精度的因素 由公式知，影響超聲波液位計(jì)液位測量精度的主要因素是聲速與傳播時(shí)間，tv 2 1 d 除此之外受外部條件影響產(chǎn)

31、生液位波動(dòng)等也會(huì)造成測量誤差。 2.4.1 空氣溫度因素 對(duì)于氣介式超聲波測距系統(tǒng)而言，已產(chǎn)生的超聲波借助于空氣以縱波的形式平行 于振動(dòng)面?zhèn)鞑?。由于氣體具有擴(kuò)張和反抗壓縮的彈性性質(zhì)，在空氣分子受到超聲波振 動(dòng)面交替的擴(kuò)張與壓縮時(shí)，空氣分子具有自恢復(fù)力，超聲波的傳播也就相當(dāng)于是氣體 為反抗壓縮變化力的作用而實(shí)現(xiàn)彈性波的傳播。在空氣氣壓、濕度、溫度、密度等因 素發(fā)生改變時(shí)，超聲波在空氣中的傳播收到影響，超聲波的速度發(fā)生改變。 與其他環(huán)境因素的影響，大氣溫度對(duì)超聲波速度 c 的影響最為明顯。超聲波在空 氣中的傳播速度與當(dāng)前空氣溫度的關(guān)系式如式(2-3)所示。 （2-3） m rt c 其中，：表示氣

32、體定壓熱容和定容熱容的比值，在空氣中為常量 1.40。 r：表示氣體普適常量，在空氣中為 8.341kg.mol-1.k-1。 m: 表示氣體分子量，在空氣中為 28.8*10-3kg.mol-1。 由公式 2-3 我們可以計(jì)算出在不同氣溫下的超聲波速度，例如:當(dāng)溫度為 t=293k （20）時(shí)，此時(shí)超聲波速度為 c=344.1m/s。在空氣中，溫度因素相較于其他因素而 言，對(duì)超聲波速度的影響最大。一般上，可近似認(rèn)為15： （2-4）（sm/0.607t331.45c t 式中：t 為空氣溫度（） 。從公式 2-4 中可以推導(dǎo)，在 1m 的測量距離中，溫度 誤差 10，超聲波速度變化 6m/s

33、，大約能造成 1.8cm 的測量誤差。因此，為了最大限 度的減小測量誤差，必須準(zhǔn)確測量周圍的環(huán)境溫度。在測量距離較小時(shí)，為把測量精 度控制在厘米范圍內(nèi)，則溫度的分辨率應(yīng)達(dá)到 1。 根據(jù)式 2-4 關(guān)系可以得出在空氣中超聲波速度隨溫度變化的關(guān)系曲線圖，如圖 2-3 所示。由圖中我們可以得知，當(dāng)溫度 t 從小變大，從 0到變化到 40時(shí)，溫度將會(huì) 導(dǎo)致超聲波在空氣中的速度產(chǎn)生+8%變化，即相差 24m/s。因此，為了提高測量精度減 小誤差，提高系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境溫度的適應(yīng)，必須根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度對(duì)超聲波速度進(jìn)行 實(shí)時(shí)修正，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)溫度矯正單元是很有必要的。 圖 2-3 空氣中聲速隨溫度變化曲線 2.

34、4.2 液位波動(dòng)和液面表面雜質(zhì)的因素 通常超聲波液位計(jì)測量不建液位測井，因此，在受風(fēng)浪船行波、液面雜碎物質(zhì)如 木頭等的影響，不平整的復(fù)雜液面使超聲波的反射方向發(fā)生改變，從而減弱超聲波回 波信號(hào)?？梢圆捎枚帱c(diǎn)測量的辦法，在一定時(shí)間內(nèi)，多次采樣后求平均來使測量值接 近真值。采樣點(diǎn)越多，采集的時(shí)間越長、數(shù)據(jù)越多，則測得液位越精確。為了消除船 行波等造成水面不規(guī)則升降變化的影響，也可以將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序去掉最大和最 小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)取中間數(shù)據(jù)的平均值，用這種中間平均法可以有效防止一些測量的干 擾。 在液位變化比較平緩的地方可以采用控制液位變化率的方法來進(jìn)行濾波。例如每 次采樣數(shù)據(jù)液位變化只允許 1cm

35、,多次采樣后的數(shù)據(jù)就等于或接近真實(shí)位，這樣可以減 少一些隨機(jī)干擾。 2.4.3 超聲波傳感器之間的回波干擾 當(dāng)采用多個(gè)超聲波傳感器測量復(fù)雜邊界液面時(shí)，由于反射面的不平整容易造成回 波信號(hào)不是垂直反射回去，這樣超聲波傳感器能夠接收到臨近的超聲波傳感器所發(fā)射 的超聲波信號(hào)，從而造成傳感器的誤判，引起測量誤差。尤其是在相鄰超聲波傳感器 的位置距離較近時(shí)就更要考慮回波信號(hào)之間的干擾問題16。 2.4.4 影響超聲波測量計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性的因素 測量液位實(shí)際就是測量聲波從探頭發(fā)出到達(dá)水面，再從液面反射回到探頭的時(shí)間。 這個(gè)傳播時(shí)間的測量精度實(shí)際就反映了液位測量精度。上述影響測量精度的因素采用 適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ū?/p>

36、較容易解決，但對(duì)超聲波的回波進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)卻比較困難。主 要影響的因素有：超聲波傳感器的工作頻率與探頭的通頻帶寬度、門限電平與檢測方 法、干擾鑒別等。 （1）超聲波工作頻率與通頻帶 超聲波傳感器是基于壓電陶瓷的工作原理，施加的電脈沖信號(hào)使得壓電陶瓷上產(chǎn) 生機(jī)械振動(dòng)，從而帶動(dòng)空氣振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。當(dāng)超聲波遇液面返回時(shí)，返回的聲波信 號(hào)使壓電陶瓷振動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)。超聲波信號(hào)示意如圖 2-4 所示。 圖 2-4 超聲波信號(hào)示意圖 通常超聲波探頭通頻帶（bw）與諧振頻率（w0） 、品質(zhì)因素 q 的關(guān)系17為： （2-5） q w0 w b 當(dāng)探頭的品質(zhì)因素 q 值越高，通頻帶越窄，這給壓電陶瓷的起始機(jī)械

37、振動(dòng)帶來一 個(gè)較長的時(shí)間。通頻帶越寬，起振時(shí)間就越短。因此，在相同的 t 值時(shí)，選用較高的 工作頻率的探頭可以縮短起振和衰減時(shí)間。 從圖 2-4 可以看出，通頻帶越寬，則上升時(shí)間 t1和下降 t2的時(shí)間越小，越接近理想 波形。t2越小，意味著超聲波測量盲區(qū)越小，顯然超聲波回波到達(dá)的時(shí)刻反應(yīng)在 t1的 上升波形上，如果定位不準(zhǔn)確與不穩(wěn)定都會(huì)極大影響測量精度。 所以，選擇一個(gè)合適的超聲波發(fā)射頻率和通頻帶，對(duì)于提高系統(tǒng)精度而言有著至 關(guān)重要的作用。 （2）門限電平與回波信號(hào)幅度 通常的超聲波接收電路中，被接收的超聲波回波信號(hào)需要經(jīng)放大、整流與濾波還 原成圖 2-5 中的信號(hào)包絡(luò)波形。設(shè)置一個(gè)門限電平

38、可以將其變成方波觸發(fā)信號(hào)，便可 控制計(jì)時(shí)器結(jié)束計(jì)時(shí)，得到超聲波的飛行時(shí)間18。 圖 2-5 發(fā)射波、回波整形示意圖 通常，將門限電平設(shè)置在一個(gè)噪聲電平不能觸發(fā)的值上，以保證產(chǎn)生的方波信號(hào) 不是由噪聲觸發(fā)的。顯然回波信號(hào)的上升時(shí)間影響整形波形檢出的位置，從而計(jì)時(shí)器 所計(jì)時(shí)間也不相同，也就是測量的距離會(huì)不同，這將會(huì)產(chǎn)生測量誤差。似乎可以用反 射波與回波上升沿一樣（同一探頭）來解決這個(gè)問題，但實(shí)際上由于發(fā)射波的信號(hào)幅 度與接收波不同，上升時(shí)間也就不一樣，因此無法進(jìn)行補(bǔ)償。更由于回波信號(hào)因距離 水面波浪飄浮物等的影響是不穩(wěn)定的，其大小差可以達(dá)到幾十倍。 很顯然當(dāng)超聲波回波信號(hào)的電平接近門限電平時(shí)，產(chǎn)生

39、的誤差最大絕對(duì)誤差可以 大于 10cm（視探頭特性電路通帶與濾波等因素而定） 。 2.5 減小誤差的方案 以上分析了幾種可能影響超聲波測量精度的因素，其中影響最大的還是空氣溫度 對(duì)于超聲波速度的影響，加入溫度校正部分，對(duì)于超聲波的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，就能 降低溫度對(duì)測量精度的影響。對(duì)于其他的可能影響因素，有以下幾種方法。 2.5.1 基于多傳感器的多點(diǎn)測量 在不平整的復(fù)雜邊界液面條件下，不但液位變化無常而且超聲波的反射方向也會(huì) 發(fā)生改變，從而減弱超聲波回波信號(hào)。單點(diǎn)測量不能完全代表液位的真實(shí)高度，測量 所得數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比誤差較大，可以進(jìn)行多點(diǎn)測量復(fù)雜液面，并在一定時(shí)間內(nèi)，多 次采樣后求平均來使

40、測量值接近真值。測量點(diǎn)越多，采樣的時(shí)間越長，采集的數(shù)據(jù)越 多，則測得液位越精確。為了消除液面不規(guī)則升降變化的影響，也可以將采樣的數(shù)據(jù) 進(jìn)行排序去掉最大和最小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)取中間數(shù)據(jù)的平均值，用這種中間平均法可以 有效防止一些測量的干擾。 2.5.2 超聲波傳感器錯(cuò)序工作 對(duì)于多個(gè)超聲波傳感器同時(shí)測量液面距離時(shí)容易造成的回波干擾的情況，在時(shí)序 上將不同傳感器的測距時(shí)間錯(cuò)開，在同一個(gè)時(shí)間段保證只有一個(gè)超聲波傳感器工作或 者同時(shí)工作的超聲波傳感器距離較遠(yuǎn)，就可以避免或降低回波干擾的情況。例如，使 用主控芯片的定時(shí)器定時(shí)一段時(shí)間，每次定時(shí)器中斷中更改超聲波發(fā)射標(biāo)志位，根據(jù) 超聲波發(fā)射標(biāo)志位選擇不同位置的

41、超聲波傳感器測距，這樣，在時(shí)序上依次錯(cuò)開不同 超聲波傳感器的工作時(shí)間，就能夠避免不同回波信號(hào)的干擾。 2.5.3 回波信號(hào)放大整形 超聲波在傳播過程中會(huì)發(fā)生衰減，所測距離越遠(yuǎn)，衰減越嚴(yán)重。當(dāng)能量衰減嚴(yán)重 時(shí)，如圖 2-6 中的 a1，經(jīng)過包絡(luò)整形的回波信號(hào)上升沿較平緩，達(dá)到觸發(fā)電平的時(shí)間 t1相對(duì)于實(shí)際值偏大從而造成誤差。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大整形，可以使回波信號(hào)上升 沿變陡，縮短上升時(shí)間，在圖 2-6 中的 a3，可以明顯地看出，經(jīng)過整形放大后，可以 減少幅度衰減帶來的影響。但是，這種方法有明顯的缺點(diǎn)，回波信號(hào)中包含著有用信 號(hào)，也包含了隨機(jī)噪聲，在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也放大了干擾與噪聲。當(dāng)放大

42、后的 干擾與噪聲信號(hào)的電平達(dá)到門限電平時(shí)，檢測電路就會(huì)誤判成真實(shí)的超聲波測量回波， 引起誤差，所以，要合理地選擇放大倍數(shù)與控制門限電平。另外在實(shí)際應(yīng)用中還需考 慮回波信號(hào)隨距離增加而衰減等因素，采用 agc 自動(dòng)增益電路才能獲得較好的效果。 圖 2-6 回波信號(hào)不同時(shí)的檢出波形 2.5.4 回波信號(hào)前沿分析法 回波信號(hào)前沿分析法，就是通過計(jì)算信號(hào)的上升前沿的的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)來確定起始 時(shí)間，其前提條件是假設(shè)獲取的回波包絡(luò)信號(hào)的前沿是線性的?；夭ㄐ盘?hào)的上升、下 降沿為一條指數(shù)曲線，但在信號(hào)電平二分之一下（上升沿）近似認(rèn)為為直線，因此信 號(hào)采樣在此區(qū)間基本上滿足線性條件。對(duì)于不同幅值的回波信號(hào) a1、

43、a2，對(duì)其進(jìn)行信 號(hào)采樣，得到 t1、a1與 t2、a2，見圖 2-7 中放大示意可知 （2-6） 012 1 2 2 01 1 1 1 t aa tt s ttt s t 與 圖 2-7 回波信號(hào)的前沿分析示意圖 在幅值較大的回波信號(hào) a1中，由 2-6 式知，通過已知采樣數(shù)據(jù) a1、t1及前沿采樣 電平 s1，便可以算出 t0+t1的時(shí)間，從而可得時(shí)間值 t0。同理，對(duì)于一個(gè)幅值較小的 回波信號(hào) a2，也同樣能準(zhǔn)確推算出時(shí)間值 t0。顯然用前沿信號(hào)分析的方法，回波的計(jì) 時(shí)準(zhǔn)確性與回波信號(hào)電平無關(guān)，減小了回波信號(hào)衰減導(dǎo)致的測量誤差19。 采用超聲波信號(hào)回波前沿時(shí)間分析技術(shù)，可以有效地控制回波

44、信號(hào)電平因反射面 不同、反射角不同、反射距離不同等各種因素而引起的信號(hào)電平變化帶來的測量誤差。 2.5.5 回波信號(hào)的包絡(luò)檢測法 超聲波傳感器發(fā)射超聲波過程包括了起振、穩(wěn)定和衰減這三個(gè)過程。在實(shí)驗(yàn)的觀 察中，盡管所測的距離不同、超聲波的反射面不同，但是回波信號(hào)的包絡(luò)線波形都具 有較好的一致性，包絡(luò)形狀大致相同，只是幅值不同?？梢哉J(rèn)為，超聲波的回波信號(hào) 的包絡(luò)線峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)刻 tp 與回波前沿到達(dá)時(shí)刻 t0 之間的時(shí)間差( tp-t0)不隨所測距離 的遠(yuǎn)近、反射面的不同而變化。因此，可將不同幅值的回波信號(hào)的包絡(luò)峰值所對(duì)應(yīng)的 時(shí)刻 tp 作為停止計(jì)時(shí)的時(shí)刻，減去時(shí)間差(tp-t0)后就可以得到相對(duì)

45、誤差較小的超聲波飛 行時(shí)間值。圖 2-8 中顯示了超聲波包絡(luò)檢波法的流程，回波信號(hào)在進(jìn)行放大、濾波、 包絡(luò)檢波之后，分別通過微分電路、零點(diǎn)交叉檢測，最后進(jìn)入單片機(jī)外部中斷的入口， 停止定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)，得到超聲波的飛行時(shí)間。因?yàn)椴捎贸暡ɑ夭ㄐ盘?hào)的包絡(luò)檢 測方法檢測的是峰值時(shí)間，與信號(hào)振幅無關(guān),具有優(yōu)良的傳輸特性。包絡(luò)峰值檢測也可 以消除虛假回波的干擾，使達(dá)到閥值的虛假回波可以被峰值檢測濾掉。 回波信號(hào)經(jīng)處理的各個(gè)波形如圖 2-9 所示。添加 agc 自動(dòng)增益電路是為了解決超 聲波接收到的回波幅值隨著傳播距離的增加而成指數(shù)規(guī)律衰減的問題，agc 電路能使 放大倍數(shù)隨所測距離的增加成指數(shù)規(guī)律增

46、加。電路工作時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，agc 電 壓隨這計(jì)數(shù)器的時(shí)間值的增加而增加，當(dāng)檢測到回波脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。過零檢測 可以保證回波到達(dá)時(shí)刻不受回波大小變化，鑒寬電路主要用于抑制隨機(jī)的尖峰脈沖干 擾信號(hào)，使尖銳的干擾信號(hào)被鑒寬電路過濾掉，從而消除隨機(jī)噪聲的干擾。采用包絡(luò) 峰值檢測可以保證回波前沿的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)刻20。 前置放大agc自動(dòng)增益帶通濾波器鑒寬電路 包絡(luò)檢波微分電路過零檢測單片機(jī) 回波信號(hào) 圖 2-8 回波包絡(luò)峰值檢測原理 . 圖 2-9 回波包絡(luò)峰值檢測波形 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)的總體方案 本設(shè)計(jì)的主控芯片選用宏晶科技的 stc89c52，超聲波探頭組選用 hc-sr04

47、 超聲 波傳感器，hc-sr04 超聲波測距模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感應(yīng)探測，測 距的精度達(dá)到了 3mm，模塊中已經(jīng)包含了超聲波發(fā)射、接收電路以及信號(hào)處理電路， 滿足上述理論分析中精度的要求。溫度校正模塊中的溫度傳感器選用 ds18b20，其采 用獨(dú)特的單線串行通信，并以 9 位數(shù)字值方式讀出溫度，測量范圍從-55到 125， 最大精度能達(dá)到 0.125，滿足任務(wù)要求。顯示模塊采用普遍的七段數(shù)碼管顯示，顯示 亮度大，操作簡便。 溫度校正模塊 51單片機(jī) 顯示模塊 超聲波探頭組 穩(wěn)壓模塊 圖 3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)的軟件層由驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序組成。其中應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采

48、集程序及 ds18b20 的底層驅(qū)動(dòng)程序，而驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。 3.2 硬件設(shè)計(jì) 3.2.1 stc89c52rc 單片機(jī) stc89c52rc 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)， 指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)，12 時(shí)鐘/機(jī)器周期和 6 時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選 擇。其自帶 8kb 的 rom，512b 的 ram，能夠滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)；能夠 isp（在系統(tǒng)可 編程）/iap（在應(yīng)用可編程）無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口 （rxd/p3.0,txd/p3.1）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片；外部中斷 2 路下降沿 中斷

49、或低電平觸發(fā)電路，power down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 stc89c52 單片機(jī)共有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,即定時(shí)器 t0、t1、t2，定時(shí)范 圍為 065535us，定時(shí)的精度能達(dá)到 1us。本設(shè)計(jì)使用定時(shí)器 0 測量超聲波的飛行時(shí)間， 系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)一個(gè)測量 100cm 以內(nèi)的復(fù)雜邊界液面的距離測量，以超聲波速度為 340m/s 為例，100cm 的范圍內(nèi)，定時(shí)器最大的測量時(shí)間為 5882us，stc89c52 的定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器完全可以勝任。stc89c52 工作頻率范圍為 040mhz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48mhz。以常見的 12m 外接晶振為例，每個(gè)機(jī)

50、器周期為 1us，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的分辨率為 1us，在超聲波速度為 340m/s 時(shí)換算成距離精度，即為 0.034cm 的誤差精度，這樣的 精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足系統(tǒng)誤差的設(shè)計(jì)要求。 stc89c52 的最小系統(tǒng)如圖 3-2 所示。 圖 3-2 stc89c52 最小系統(tǒng)板 在本設(shè)計(jì)中，采用定時(shí) 50ms 的定時(shí)器 1 為三個(gè)超聲波探頭安排發(fā)射超聲波順序的 計(jì)時(shí)，外部中斷和定時(shí)器 0 共同協(xié)作對(duì)回波信號(hào)的飛行時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，在介紹系統(tǒng)軟 件的設(shè)計(jì)之前，有必要了解 stc89c52 單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 stc89c52 的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相關(guān)寄存器有工作方式寄存器 tmod 和控制寄存器 tcon。工作

51、方式寄存器主要用來設(shè)置定時(shí)器的工作模式、啟動(dòng)方式等，tmod 的各 種符號(hào)以及地址如表 3-1 所示。 表表 3-1 定時(shí)器工作方式寄存器定時(shí)器工作方式寄存器 tmodgatac/error!m1m0gatac/error!m1m0 位地址8fh 8eh 8dh8ch8bh8ah 89h88h （1） 、gate：門控選通位 gate=0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器只受 tr（tr0、tr1）控制。 gate=1：只有 int0、int1 為高電平，且 tr=1 時(shí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器才開始工作， int0、 int1 分別控制 t0 和 t1 的運(yùn)行。 （2） 、c/error!：功能選擇位。 c/error

52、!=0：定時(shí)器。 c/error!=1：計(jì)數(shù)器。 （3） 、m1、m0：工作方式選擇位。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器 tcon 要用來設(shè)置外部終端請(qǐng)求觸發(fā)方式、定時(shí)器運(yùn)行 控制、顯示和設(shè)置外部中斷請(qǐng)求以及定時(shí)器終端標(biāo)志位。tcon 的各位符號(hào)名以及各 位地址如表 3-2 所示。 表表 3-2 定時(shí)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器計(jì)數(shù)器控制寄存器 tcontf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 位地址8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88h （4） 、it0 和 it1：外部中斷請(qǐng)求觸發(fā)方式控制位 it0（it1）=1：脈沖觸發(fā)方式，下降沿觸發(fā)。 it0（it1）=0：電平觸發(fā)，低電平

53、有效。 （5） 、ie0 和 ie1：外部中斷請(qǐng)求標(biāo)志位 ie0（ie1）=1：外部中斷置位，允許外部中斷。 ie0（ie1）=1：外部中斷復(fù)位，不允許外部中斷。 （6） 、tr0 和 tr1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器運(yùn)行控制位 tr0（tr1）=1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作。 tr0（tr1）=1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器不工作。 （7） 、tf0 和 tf1：計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志位。當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，相應(yīng)的溢出標(biāo)志位由硬件置 1。 3.2.2 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路是保證系統(tǒng)能夠工作穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵部分。在穩(wěn)壓電路部分，采用了常 用的 lm7805 穩(wěn)壓芯片。用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 ic 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件 極少，

54、電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià) 格便宜。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便， 在電子制作中經(jīng)常采用。 本系統(tǒng) 的穩(wěn)壓電路部分采用了經(jīng)典的接法， 如圖 3-3 所示。 圖 3-3 穩(wěn)壓電路 3.2.3 超聲波探頭組 本設(shè)計(jì)中，超聲波傳感器選用 hc-sr04 超聲波傳感器，hc-sr04 超聲波測距模塊 可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感應(yīng)探測，測距的精度達(dá)到了 3mm，能夠滿足設(shè)計(jì) 任務(wù)中 100cm 以內(nèi)測距、10cm 誤差的設(shè)計(jì)要求。并且模塊中已經(jīng)包含了超聲波發(fā)射、 接收電路以及信號(hào)處理電路，外圍接口只有四個(gè)，分別是依次分別是 vcc、tri

55、g、echo、gnd 引腳，其中，trig 為觸發(fā)信號(hào)輸入引腳，當(dāng)給 trig 引 腳至少 10us 的正脈沖時(shí)，模塊自動(dòng)發(fā)出 8 個(gè) 40khz 的脈沖方波，自動(dòng)檢測回波信號(hào)。 當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，echo 引腳輸出一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波的從發(fā) 射到返回被接收的飛行時(shí)間，單個(gè)超聲波模塊的測量距離=高電平持續(xù)時(shí)間*聲速/2， 表 3-3 顯示了 hc-sr04 的各種參數(shù)。 表表 3-3 hc-sr04 電氣電氣參參數(shù)數(shù) 續(xù)表續(xù)表 3-3 最遠(yuǎn)射程400cm 電氣參數(shù)hc-sr04 測距模塊 工作電壓dc5v 工作電流15ma 工作頻率40khz 盲區(qū)2cm 測量角度15 度 輸入

56、觸發(fā)信號(hào)10us 的 ttl 脈沖 輸出時(shí)間信號(hào)輸出 ttl 電平信號(hào)，與射程成正比 hc-sr04 超聲波傳感器發(fā)射端的原理圖如圖 3-4 所示。超聲波傳感器模塊中的主 控芯片采用 em78p153 單片機(jī)，em78p153 采用高速 cmos 工藝的 8 位單片機(jī)，內(nèi)部 有 512*13 位一次性 rom（otprom）和一個(gè) 8 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。em78p153 在接收到 外部至少 10us 的正脈沖之后，啟動(dòng) 8 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生 40khz 的方波脈沖，經(jīng)過 max232 驅(qū)動(dòng)，超聲波發(fā)射端探頭產(chǎn)生和方波脈沖頻率相同的聲波脈沖。 圖 3-4 hc-sr04 超聲波發(fā)射端電路圖 超聲

57、波傳感器的接收端原理圖如圖 3-5 所示。在超聲波接收單元中，超聲波接收 探頭接收到回波信號(hào)，回波信號(hào)中帶有隨機(jī)噪聲干擾。運(yùn)放 a0 構(gòu)成一個(gè)放大電路，a1 是一個(gè)二階帶通濾波器，a2 是低通濾波器，運(yùn)放 a3 構(gòu)成電壓比較器?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過 a0，信號(hào)得到放大，再經(jīng)過 a1 帶通濾波器濾除 40khz 以外的噪聲，在經(jīng)過 a2 取出回 波信號(hào)包絡(luò)，通過 a3 比較器，當(dāng)電壓達(dá)到門限電平，輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖，在 net10 口 輸入到 em78p153，中斷定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)，得到飛行時(shí)間。 圖 3-5 超聲波模塊接收端原理圖 為增加測量精度，避免由于液面擾動(dòng)或大體積雜質(zhì)對(duì)測距的影響，超聲波探頭組

58、由 3 塊 hc-sr04 超聲波傳感器組成。三個(gè)超聲波發(fā)射和接受模塊通過 74hc153 與單片 機(jī)相連，74hc153 為雙四選一的雙向數(shù)據(jù)選擇器。由于 stc89c52 只有兩個(gè)外部中斷， 而每個(gè)接收到的回波信號(hào)需要外部中斷來使定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，所以，使用 74hc153 選 擇特定的超聲波模塊，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)外部中斷資源的情況下對(duì)三個(gè)超聲波模塊接收到的 回波信號(hào)的中斷計(jì)時(shí)任務(wù)。具體的硬件電路圖如圖 3-6 所示。 圖 3-6 超聲波探頭組的硬件連接圖 3.2.4 溫度校正模塊 本系統(tǒng)中，溫度的探測傳感器選用 ds18b20。數(shù)字化溫度傳感器 ds18b20 是世界 上第一片支持 “一線總線”

59、接口的溫度傳感器。信息經(jīng)過單線接口 dq 送入 ds18b20 或 從 ds18b20 中輸出，因此，中央主控芯片只要提供一個(gè) i/o 口就可以實(shí)現(xiàn)與 ds18b20 的通信， ，并且溫度的轉(zhuǎn)換在 ds1820 內(nèi)部已經(jīng)完成，讀、寫及溫度轉(zhuǎn)換所需的電源可 以由 dq 接口的數(shù)字信號(hào)的電平提供，而不需要外部電源。ds1820 的測量溫度范圍為 -55到+125，在-10 到+85范圍內(nèi),精度為0.5?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù) 字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。其適合于在惡劣環(huán)境的溫度測量，如：環(huán) 境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。本設(shè)計(jì)中要求精度 10cm，0.5的 溫度精

60、度能控制距離測量誤差在 1cm 的范圍內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。ds18b20 的示意圖如圖 3-7 所示，引腳說明如表 3-4 所示。 表表 3-4 ds18b20 管腳說明管腳說明 引腳 8-pin soic 封 裝 引腳 pr35 封裝 符號(hào)說明 51gnd電源地 42dq單線數(shù)據(jù)輸入輸出引腳， 33vdd可選 vdd 引腳，可接外部電源 圖 3-7 ds1820 管腳及封裝圖 ds18b20 中包含了 64 位激光 rom，開始的 8 位為單線產(chǎn)品的編碼（如 ds1820 的編碼是 10h） ，接著是 48 位唯一的序列號(hào)，這使得多個(gè) ds18b20 可以串聯(lián)在一個(gè)總 線上，最后 8