基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究毕业设计论文.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目：题目： 基于多传感器融合的复杂边界 液面高度测量装置的研究 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和 致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不 包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的 说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅 览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在 不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300 字左右） 、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序 清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别 字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有 图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书 写，不准用徒手画 3）毕业论文须用 a4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 摘要 液面高度测量在工业应用中十分广泛，但目前市场的测量装置很少考虑液面高度 不一致的问题。本设计在大量文献调研的基础上，采用三个超声波测距传感器共同测 量液位高度，解决了液面高度不一致时的平均高度测量问题。在本文中详细讨论了超 声波测距的相关原理，探讨了影响超声波测距精度的因素及一些解决办法；提出了通 过三点测量液位，经过数据处理，得到不一致液面高度的平均高度测量的方法；完成 了基于 stc89c52 单片机的液面高度测量系统的研制，最终通过系统改进，使得测量 误差保持在 2cm 以内；利用研制的装置完成了大量的实验，对实验数据进行了处理和 分析，提出了设计的改进意见。 关键词：液面测距；超声波测距；hc-sr04；超声波传感器；ds18b20 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 the research based on multi-sensor fusion of complex boundary liquid surface height 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 three 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 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 microcomputer 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 suggestions for the design improvement. key words:liquid surface ranging ;ultrasonic ranging ;hc-sr04 ultrasonic sensor ds18b20 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 目 录 1 绪论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 论文的主要研究内容.3 2 系统总体设计 .5 2.1 系统设计思想 .5 2.2 超声波的传播 .6 2.3 超声波测距原理.6 2.4 复杂液面条件下影响超声波测量精度的因素7 2.4.1 空气温度因素 .8 2.4.2 液位波动和液面表面杂质的因素9 2.4.3 超声波传感器之间的回波干扰9 2.4.4 影响超声波测量计时准确性的因素10 2.5 减小误差的方案.12 2.5.1 基于多传感器的多点测量12 2.5.2 超声波传感器错序工作12 2.5.3 回波信号放大整形12 2.5.4 回波信号前沿分析法13 2.5.5 回波信号的包络检测法14 3 系统的硬件设计 .16 3.1 系统的总体方案 .16 3.2 硬件设计.16 3.2.1 stc89c52rc 单片机.16 3.2.2 稳压电路 .19 3.2.3 超声波探头组 .19 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 3.2.4 温度校正模块 .22 3.2.5 显示模块 .26 4 系统的软件设计 .27 4.1 系统的软件总体设计.27 4.2 超声波发射与接收控制.28 4.3 温度矫正模块.29 4.4 显示模块.30 5 系统调试及结果分析31 5.1 系统调试结果与分析.31 5.2 系统误差分析.33 5.2.1 温度因素 33 5.2.2 定时器因素 .33 5.2.3 单片机运算精度的因素34 5.3 系统改进后结果.34 5.4 系统设计总结 .36 参考文献.37 致谢.39 附录.40 附录 a 系统源程序 .40 附录 b 电路原理图.40 附件 1：毕业设计开题报告.40 附录 2：外文文献翻译.40 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 1 页 共 48 页 1 绪论 1.1 课题背景及意义 液面高度测量在工业应用中十分广泛，在许多工业测距的场合中，由于复杂环境、 工作要求等条件的限制，往往需要采用非接触式的测量方法。在石油、化工等企业中， 多采用储槽、容器存储液体产品，这就需要实时监测液位变化。传统的液位测量主要 由人工操作，随着一些行业的发展，对液位的测量精度和范围提出了更高的要求，如 今，各种自动化测量仪表被广泛应用于各行业的液位测量中，如电导式、电容式、压 力式、超声波式和雷达式等液位测量仪表，其测量水平已达到较高的程度1。 虽然现在非接触式的液面测距方法很多，但目前市场的测量装置很少考虑液面高 度不一致的问题，这就需要研究用于测量复杂边界液面高度的系统装置。 1.2 国内外研究现状 国内外对液面测量的应用，主要集中在化工领域，重要方法包括：电容式液位测 量、超声波液位测量、雷达液位测量、浮子式液位测量、磁致伸缩液位测量、光纤液 位测量等，各种方法如图 1-1 如示，但大多数装置还是基于液面平稳时的液距测量， 很少考虑到液位不一致时的复杂边界液面高度的测量2。 图 1-1 各种液位测量的原理图 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 2 页 共 48 页 目前，国内外研究出的液面测量仪器逐渐向着智能化、非接触测量、小型化的方 向发展。在液位测量向智能化发展，同时，一些基于新的测量原理、新型电子部件构 成的小型现场液位开关也大量应用在测量仪器中，使得液位测量仪表的发展呈现小型 化的趋势。目前，广泛采用的液位开关主要有三种类型：一是利用介质对振动体的阻 尼差别来检测液位的振动式液位开关：二是当超声波穿透空气及液体时，利用衰减率 的显著差别来检测液面的超声波液位开关；三是利用空气和液体电导率的不同来检测 液位的电导式液位开关。液位开关信号可现场显示，还能发出控制信号，有的还采用 二线制，能直接和计算机接口3。 超声波测距技术是一种新的测距技术。相较于其它方法，如电磁的或光学的手段， 超声波不受光线、被测对象颜色等影响，在被测物处于有灰尘、电磁干扰、黑暗、烟 雾、有毒等恶劣的环境下时，超声波测距仪器仍有一定的适应能力。因此超声波技术 在物体识别、机械手控制、液位测量、车辆自动导航等方面有着广泛应用。特别是气 介式超声波测距方法，由于在空气中超声波波速较慢，其回波信号中包含的结构信息 很容易被检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法而言要高一点； 而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。 但在实际应用中，超声波液位测量也有很多困难需要克服，首先，超声波在空气 中播的过程中会发生或多或少的衰减，并且衰减随着距离的增大而增大；其次，测量 距离不同，接收到的回波信号的强度要求也会发生相应的变化；另外，超声波传感器 普遍采用压电陶瓷片工艺，在工作过程中，多少会因为转换惯性的原因而产生延时、 滞后等现象，引起测量误差；周围的环境因素，例如大气温度、湿度的改变也会对测 量精度产生影响。所以，如何减小测量误差是当前国内外研究人员对超声波测距研究 的一个重要课题。 近十年来，国内科研人员在超声波新型超声波换能器的研发、回波信号的处理方 法等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、 接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。 童峰、许肖梅等4提出了基于最小均方自适应时延估计( lmstde) 的算法。通过 该算法能够消除实际超声波换能器与理想换能器之间的频率特性差，使得整个测量系 统能够维持平坦的频率响应，并且输出最小的均方误差。赵海鸣等5提出了整形放大 确定回波前沿的测量方法，由于随着测量距离的变化回波信号能量发生变化，从而造 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 3 页 共 48 页 成测量时间误差。通过确定回拨前沿，能够在一定程度上消除时间测量误差，从而提 高测量精度。付华等6提出利用 elman 反馈神经网络逼近真实函数的方法，提高了 避障系统的测量精确度。只要有足够的隐层神经元个数，elma 反馈神经网络就能够以 任意精度逼近任意函数，该方法能使其测量精度提高两个数量级。陈先中等7在最小 二乘原理和能量重心校正法的基础之上，提出一种基于寻改进型椭圆中心的算法确定 超声回波峰值，通过最小二乘曲线拟合来搜索回波信号的峰值即椭圆中心点，与包络 线法相比，此算法相对误差能够稳定在 0.2%，适用于高精度化工距离测量。 光纤液面高度测量技术是最近十年出现的一种新型液面距离测量技术，目前已知 的光纤液位测量技术所采用的具体方法各不相同，具体有利用荧光纤维特性的光纤液 位传感、遮光式光纤液位传感、泄漏模式光纤液位传感、压力式光纤传感器测量液位、 磁式光纤液位传感、反射式光纤传感器测量液位8。 光纤液面高度测量普遍采用光纤光栅技术，光纤光栅是最近几年迅速发展的光纤 无源器件之一，具有众多独特地优点。当周围环境像压力、应变、温度等发生改变时， 使得光纤光栅的栅距和折射率也会发生相应的变化，致使光纤光栅的反射谱和透射谱 发生变化。通过检测光纤光栅反射谱、透射谱的变化就可以获得相应的温度、应变或 压力的信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。温度、应变和压 力的变化都能光纤光栅发生相应的改变，因此，如何在变化中区分出不同的变化，取 出温度、应变和压力信号，这是光纤光栅传感器在普遍应用之前必须解决的一个问题9 10。 虽然光纤液面高度测量所采用的光纤光栅技术在传感应用中具有一系列的优点， 但目前也仅限于实验室阶段，在工业上的液面高度测量这种方法还并不普遍。光纤光 栅在实际应用中也面临着一些难题，主要包括：光检测器波长分辨率的提高、纤光栅 的封装、波长微小位移的检测、宽光谱高功率光源的获得、光纤光栅的可靠性、交叉 敏感的消除等11。 1.3 论文的主要研究内容 由于工作要求和复杂环境的限制，在工业测距场合中，常常采用非接触测距的方 法，非接触式测距进行测量可以完成许多用接触式测距手段无法完成的检测任务。液 面高度测量在工业应用中十分广泛，但目前市场的测量装置很少考虑液面高度不一致 的问题。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 4 页 共 48 页 本设计在大量文献调研的基础上，采用三个超声波测距传感器解决了液面高度不 一致的平均高度测量问题。 本设计主要进行了以下几个方面的工作： 1、详细讨论了超声波测距的相关原理，探讨了影响超声波测距精度的因素及一些 解决办法。 2、提出了通过三点测量液位，经过数据处理，得到不一致液面高度的平均高度测 量的方法。 3、完成了基于 stc89c52 单片机的液面高度测量系统的研制，最终通过系统改进， 使得测量误差保持在 2cm 以内。 4、利用研制的装置完成了大量的实验，对实验数据进行了处理和分析，提出了设 计的改进意见。 在第二章中介绍了系统的总体设计、超声波测距的原理及测距过程中导致误差的 因素和一些解决办法；在第三章中详细介绍了各部分硬件电路的实现办法以及一些芯 片的介绍；第四章介绍了系统软件的设计思路；第五章是是系统的调试过程以及调试 结果和系统设计结论。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 5 页 共 48 页 2 系统总体设计 在复杂的液位边界条件下，液位表面通常不平整，此时，若采用单个传感器测距， 测量结果的误差较大，所以在精度要求高的场合，需要多个传感器测量多组数据，经 过一定算法，得到更加与实际液位高度更接近的结果。 2.1 系统设计思想 按系统设计要求，设计在液位的上方固定多个测距传感器，如图 2-1 所示。在图 2-1 中，若只是单点测距，传感器按在 a、b、c 三点的任一点，则测距显示正常，但 是在 d 点早已超出警戒要求。所以，本设计中，设计多个测距传感器位于液位上方， 测量多组数据，最后基于一定算法，实现复杂边界液面条件下所测距离的最佳精确， 所测的实时液位高度满足。其中，s1、s2、sn为 n 点测量的距离，),.,( 321n ssssfh f 是算法函数。 图 2-1 复杂边界液面的多点测量示意图 现在具体系统设计的关键就在于选择每点测距方案，以及选择所测多点数据的融 合算法，而提高每点测距的精确度又是提高系统最终测量结果的关键。对比所有可能 的液位测量方案，本文在每一点测距方案上选择超声波测距技术，采用三点法测距， 在液位上方选用三个超声波探头，每组探头测量若干组数据，然后基于一定算法处理 结果。 超声波测距技术现在也越来越成熟，并且超声波测距不受光线、被测对象颜色等 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 6 页 共 48 页 因素的影响，对于被测物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境 下具有一定的适应能力和很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声 波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠、技术成熟、价格便宜等特点，对于 本科生而言，更加易实现。 2.2 超声波的传播 人的耳朵能分辨在 20hz20khz 之间的声波频率，频率大于 20khz 或小于 20hz 的声波是听不见的。因此，我们将频率高于 20khz 的声波称为超声波。 发射的超声波频率和周期 t 通常只和触发超声波的声源振动频率和周期有关，因 此超声波的频率和周期是与介质本身特性无关的量12。超声波的波长是指超声波的波 峰与波峰(或波谷与波谷)之间的距离，波长与频率成反比，与速度成正比，关系如(2-l) 所示。 (2-1) f c 在公式 2-1 中， 为超声波波长;c 为超声波传播速度;f 为超声波的频率。 超声波的传播速度 c 和声波波形只与传播介质的弹性常数及介质密度有关。在相 当大的频率范围内，速度和频率变化无关，即不同频率的超声波在相同的传播介质中 速度相同。超声波是借助于传播介质的分子运动而传播的，在传播过程中，由于空气 分子运动摩擦、空气中杂质等原因，超声波能量在传播过程中被吸收损耗，超声波能 量会发生衰减，衰减系数与超声波所在介质及频率的关系为: (2-2) 2 af 在公式 2-2 中: 为衰减系数;a 为介质常数;f 为振动频率。 由此可以看出，当频率越高时衰减系数越大， ，超声波在传播过程中衰减得越厉害， 传播距离也会越短。因此，选用合适频率的超声波便成为了系统设计的一个至关重要 的问题。当使用的超声波频率较小时，尽管衰减系数较小，传播距离远，但脉冲的波 长较长，从而影响测量的精度。例如，当 f=40khz 时，波长为 0.85 厘米;当 f=20khz 时， 波长为 1.7 厘米，显然，系统的测量精度就会降低一倍。 因此在设计超声波液位测量系统时，应该综合考虑测量精度和接收时的强度这两 个方面的因素。本文设计的系统通过参数比较后，为了达到测量精度的要求，也满足 接受强度等一系列条件，选用了 40khz 的超声波作为液位测量系统的测量介质。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 7 页 共 48 页 2.3 超声波测距原理 陶瓷的压电效应是超声波传感器工作的基本原理。给超声波传感器一个电脉冲信 号之后，超声波发射探头便发出与电脉冲频率相同的超声波信号，后经固体或液体物 体表面反射后折回，回波信号的振动能量引起接收传感器的机械振动，通过压电效应 变成电信号。目前，超声波测距系统基本上采用回波法，通过接收和分析回波信号测 量出整个超声波的飞行时间，从而实现距离的测量。根据超声波传感器工作方式的不 同，可分为一发一收双传感器方式和自发自收单传感器方式；根据超声波传播介质的 不同，超声波测量技术又可分为气介式和液介式两种类型。 液介式超声波液位测量是以液体作为超声波的传播媒介。通过在水底或者其他液 体底部安置超声波传感器，从下向上定向朝液面发射超声波，超声波到达液面后，在 液面反射回换能器，测得传输过程消耗的时间为 t。但是，在液位很深的情况下，液介 式不易于安装和维护此设备。气介式13超声波液位测量是以空气作为传播媒介，采用 空气声学回声测距原理，根据超声脉冲在空气传播过程中的往返时间来测量液位。气 介式超声波液位测量系统是非接触式测量，系统安装维护方便。本文设计的就是采用 气介式超声波传感器的液位测量系统。 气介式超声波测距的基本原理如图 2-2 所示。首先，超声波传感器向空气中发射超 声波脉冲，超声波在遇到被测液面后反射回来，若测出第一个回波达到的时间与发射 脉冲间的时间差 t，利用公式，即可算得传感器与反射点间的距离 s14 。测量tv 2 1 s 距离 ，若时，则 ds；若采用收发同体传感器，故 h0，则 2 2 2 d h shs 。tv 2 1 sd 图 2-2 超声波测距原理 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 8 页 共 48 页 2.4 复杂液面条件下影响超声波测量精度的因素 由公式知，影响超声波液位计液位测量精度的主要因素是声速与传播时间，tv 2 1 d 除此之外受外部条件影响产生液位波动等也会造成测量误差。 2.4.1 空气温度因素 对于气介式超声波测距系统而言，已产生的超声波借助于空气以纵波的形式平行 于振动面传播。由于气体具有扩张和反抗压缩的弹性性质，在空气分子受到超声波振 动面交替的扩张与压缩时，空气分子具有自恢复力，超声波的传播也就相当于是气体 为反抗压缩变化力的作用而实现弹性波的传播。在空气气压、湿度、温度、密度等因 素发生改变时，超声波在空气中的传播收到影响，超声波的速度发生改变。 与其他环境因素的影响，大气温度对超声波速度 c 的影响最为明显。超声波在空 气中的传播速度与当前空气温度的关系式如式(2-3)所示。 （2-3） m rt c 其中，：表示气体定压热容和定容热容的比值，在空气中为常量 1.40。 r：表示气体普适常量，在空气中为 8.341kg.mol-1.k-1。 m: 表示气体分子量，在空气中为 28.8*10-3kg.mol-1。 由公式 2-3 我们可以计算出在不同气温下的超声波速度，例如:当温度为 t=293k （20）时，此时超声波速度为 c=344.1m/s。在空气中，温度因素相较于其他因素而 言，对超声波速度的影响最大。一般上，可近似认为15： （2-4）（sm/0.607t331.45c t 式中：t 为空气温度（） 。从公式 2-4 中可以推导，在 1m 的测量距离中，温度 误差 10，超声波速度变化 6m/s，大约能造成 1.8cm 的测量误差。因此，为了最大限 度的减小测量误差，必须准确测量周围的环境温度。在测量距离较小时，为把测量精 度控制在厘米范围内，则温度的分辨率应达到 1。 根据式 2-4 关系可以得出在空气中超声波速度随温度变化的关系曲线图，如图 2-3 所示。由图中我们可以得知，当温度 t 从小变大，从 0到变化到 40时，温度将会 导致超声波在空气中的速度产生+8%变化，即相差 24m/s。因此，为了提高测量精度减 小误差，提高系统对周围环境温度的适应，必须根据当前环境温度对超声波速度进行 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 9 页 共 48 页 实时修正，在系统中设计温度矫正单元是很有必要的。 图 2-3 空气中声速随温度变化曲线 2.4.2 液位波动和液面表面杂质的因素 通常超声波液位计测量不建液位测井，因此，在受风浪船行波、液面杂碎物质如 木头等的影响，不平整的复杂液面使超声波的反射方向发生改变，从而减弱超声波回 波信号。可以采用多点测量的办法，在一定时间内，多次采样后求平均来使测量值接 近真值。采样点越多，采集的时间越长、数据越多，则测得液位越精确。为了消除船 行波等造成水面不规则升降变化的影响，也可以将采样的数据进行排序去掉最大和最 小的一部分数据取中间数据的平均值，用这种中间平均法可以有效防止一些测量的干 扰。 在液位变化比较平缓的地方可以采用控制液位变化率的方法来进行滤波。例如每 次采样数据液位变化只允许 1cm,多次采样后的数据就等于或接近真实位，这样可以减 少一些随机干扰。 2.4.3 超声波传感器之间的回波干扰 当采用多个超声波传感器测量复杂边界液面时，由于反射面的不平整容易造成回 波信号不是垂直反射回去，这样超声波传感器能够接收到临近的超声波传感器所发射 的超声波信号，从而造成传感器的误判，引起测量误差。尤其是在相邻超声波传感器 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 10 页 共 48 页 的位置距离较近时就更要考虑回波信号之间的干扰问题16。 2.4.4 影响超声波测量计时准确性的因素 测量液位实际就是测量声波从探头发出到达水面，再从液面反射回到探头的时间。 这个传播时间的测量精度实际就反映了液位测量精度。上述影响测量精度的因素采用 适当的措施和方法比较容易解决，但对超声波的回波进行准确的计时却比较困难。主 要影响的因素有：超声波传感器的工作频率与探头的通频带宽度、门限电平与检测方 法、干扰鉴别等。 （1）超声波工作频率与通频带 超声波传感器是基于压电陶瓷的工作原理，施加的电脉冲信号使得压电陶瓷上产 生机械振动，从而带动空气振动产生超声波。当超声波遇液面返回时，返回的声波信 号使压电陶瓷振动而产生电信号。超声波信号示意如图 2-4 所示。 图 2-4 超声波信号示意图 通常超声波探头通频带（bw）与谐振频率（w0） 、品质因素 q 的关系17为： （2-5） q w0 w b 当探头的品质因素 q 值越高，通频带越窄，这给压电陶瓷的起始机械振动带来一 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 11 页 共 48 页 个较长的时间。通频带越宽，起振时间就越短。因此，在相同的 t 值时，选用较高的 工作频率的探头可以缩短起振和衰减时间。 从图 2-4 可以看出，通频带越宽，则上升时间 t1和下降 t2的时间越小，越接近理想 波形。t2越小，意味着超声波测量盲区越小，显然超声波回波到达的时刻反应在 t1的 上升波形上，如果定位不准确与不稳定都会极大影响测量精度。 所以，选择一个合适的超声波发射频率和通频带，对于提高系统精度而言有着至 关重要的作用。 （2）门限电平与回波信号幅度 通常的超声波接收电路中，被接收的超声波回波信号需要经放大、整流与滤波还 原成图 2-5 中的信号包络波形。设置一个门限电平可以将其变成方波触发信号，便可 控制计时器结束计时，得到超声波的飞行时间18。 图 2-5 发射波、回波整形示意图 通常，将门限电平设置在一个噪声电平不能触发的值上，以保证产生的方波信号 不是由噪声触发的。显然回波信号的上升时间影响整形波形检出的位置，从而计时器 所计时间也不相同，也就是测量的距离会不同，这将会产生测量误差。似乎可以用反 射波与回波上升沿一样（同一探头）来解决这个问题，但实际上由于发射波的信号幅 度与接收波不同，上升时间也就不一样，因此无法进行补偿。更由于回波信号因距离 水面波浪飘浮物等的影响是不稳定的，其大小差可以达到几十倍。 很显然当超声波回波信号的电平接近门限电平时，产生的误差最大绝对误差可以 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 12 页 共 48 页 大于 10cm（视探头特性电路通带与滤波等因素而定） 。 2.5 减小误差的方案 以上分析了几种可能影响超声波测量精度的因素，其中影响最大的还是空气温度 对于超声波速度的影响，加入温度校正部分，对于超声波的速度进行实时校正，就能 降低温度对测量精度的影响。对于其他的可能影响因素，有以下几种方法。 2.5.1 基于多传感器的多点测量 在不平整的复杂边界液面条件下，不但液位变化无常而且超声波的反射方向也会 发生改变，从而减弱超声波回波信号。单点测量不能完全代表液位的真实高度，测量 所得数据与实际值相比误差较大，可以进行多点测量复杂液面，并在一定时间内，多 次采样后求平均来使测量值接近真值。测量点越多，采样的时间越长，采集的数据越 多，则测得液位越精确。为了消除液面不规则升降变化的影响，也可以将采样的数据 进行排序去掉最大和最小的一部分数据取中间数据的平均值，用这种中间平均法可以 有效防止一些测量的干扰。 2.5.2 超声波传感器错序工作 对于多个超声波传感器同时测量液面距离时容易造成的回波干扰的情况，在时序 上将不同传感器的测距时间错开，在同一个时间段保证只有一个超声波传感器工作或 者同时工作的超声波传感器距离较远，就可以避免或降低回波干扰的情况。例如，使 用主控芯片的定时器定时一段时间，每次定时器中断中更改超声波发射标志位，根据 超声波发射标志位选择不同位置的超声波传感器测距，这样，在时序上依次错开不同 超声波传感器的工作时间，就能够避免不同回波信号的干扰。 2.5.3 回波信号放大整形 超声波在传播过程中会发生衰减，所测距离越远，衰减越严重。当能量衰减严重 时，如图 2-6 中的 a1，经过包络整形的回波信号上升沿较平缓，达到触发电平的时间 t1相对于实际值偏大从而造成误差。对回波信号进行放大整形，可以使回波信号上升 沿变陡，缩短上升时间，在图 2-6 中的 a3，可以明显地看出，经过整形放大后，可以 减少幅度衰减带来的影响。但是，这种方法有明显的缺点，回波信号中包含着有用信 号，也包含了随机噪声，在放大有用信号的同时，也放大了干扰与噪声。当放大后的 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 13 页 共 48 页 干扰与噪声信号的电平达到门限电平时，检测电路就会误判成真实的超声波测量回波， 引起误差，所以，要合理地选择放大倍数与控制门限电平。另外在实际应用中还需考 虑回波信号随距离增加而衰减等因素，采用 agc 自动增益电路才能获得较好的效果。 图 2-6 回波信号不同时的检出波形 2.5.4 回波信号前沿分析法 回波信号前沿分析法，就是通过计算信号的上升前沿的的两个时间点来确定起始 时间，其前提条件是假设获取的回波包络信号的前沿是线性的。回波信号的上升、下 降沿为一条指数曲线，但在信号电平二分之一下（上升沿）近似认为为直线，因此信 号采样在此区间基本上满足线性条件。对于不同幅值的回波信号 a1、a2，对其进行信 号采样，得到 t1、a1与 t2、a2，见图 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 与 图 2-7 回波信号的前沿分析示意图 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 14 页 共 48 页 在幅值较大的回波信号 a1中，由 2-6 式知，通过已知采样数据 a1、t1及前沿采样 电平 s1，便可以算出 t0+t1的时间，从而可得时间值 t0。同理，对于一个幅值较小的 回波信号 a2，也同样能准确推算出时间值 t0。显然用前沿信号分析的方法，回波的计 时准确性与回波信号电平无关，减小了回波信号衰减导致的测量误差19。 采用超声波信号回波前沿时间分析技术，可以有效地控制回波信号电平因反射面 不同、反射角不同、反射距离不同等各种因素而引起的信号电平变化带来的测量误差。 2.5.5 回波信号的包络检测法 超声波传感器发射超声波过程包括了起振、稳定和衰减这三个过程。在实验的观 察中，尽管所测的距离不同、超声波的反射面不同，但是回波信号的包络线波形都具 有较好的一致性，包络形状大致相同，只是幅值不同。可以认为，超声波的回波信号 的包络线峰值所对应时刻 tp 与回波前沿到达时刻 t0 之间的时间差( tp-t0)不随所测距离 的远近、反射面的不同而变化。因此，可将不同幅值的回波信号的包络峰值所对应的 时刻 tp 作为停止计时的时刻，减去时间差(tp-t0)后就可以得到相对误差较小的超声波飞 行时间值。图 2-8 中显示了超声波包络检波法的流程，回波信号在进行放大、滤波、 包络检波之后，分别通过微分电路、零点交叉检测，最后进入单片机外部中断的入口， 停止定时/计数器的计时，得到超声波的飞行时间。因为采用超声波回波信号的包络检 测方法检测的是峰值时间，与信号振幅无关,具有优良的传输特性。包络峰值检测也可 以消除虚假回波的干扰，使达到阀值的虚假回波可以被峰值检测滤掉。 回波信号经处理的各个波形如图 2-9 所示。添加 agc 自动增益电路是为了解决超 声波接收到的回波幅值随着传播距离的增加而成指数规律衰减的问题，agc 电路能使 放大倍数随所测距离的增加成指数规律增加。电路工作时，计数器开始计时，agc 电 压随这计数器的时间值的增加而增加，当检测到回波脉冲时，计数器清零。过零检测 可以保证回波到达时刻不受回波大小变化，鉴宽电路主要用于抑制随机的尖峰脉冲干 扰信号，使尖锐的干扰信号被鉴宽电路过滤掉，从而消除随机噪声的干扰。采用包络 峰值检测可以保证回波前沿的准确到达时刻20。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 15 页 共 48 页 前置放大agc自动增益带通滤波器鉴宽电路 包络检波微分电路过零检测单片机 回波信号 图 2-8 回波包络峰值检测原理 . 图 2-9 回波包络峰值检测波形 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 16 页 共 48 页 3 系统的硬件设计 3.1 系统的总体方案 本设计的主控芯片选用宏晶科技的 stc89c52，超声波探头组选用 hc-sr04 超声 波传感器，hc-sr04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感应探测，测 距的精度达到了 3mm，模块中已经包含了超声波发射、接收电路以及信号处理电路， 满足上述理论分析中精度的要求。温度校正模块中的温度传感器选用 ds18b20，其采 用独特的单线串行通信，并以 9 位数字值方式读出温度，测量范围从-55到 125， 最大精度能达到 0.125，满足任务要求。显示模块采用普遍的七段数码管显示，显示 亮度大，操作简便。 温度校正模块 51单片机 显示模块 超声波探头组 稳压模块 图 3-1 系统总体结构图 本系统的软件层由驱动及应用程序组成。其中应用程序包括数据采集程序及 ds18b20 的底层驱动程序，而驱动程序的设计是本系统设计的重点之一。 3.2 硬件设计 3.2.1 stc89c52rc 单片机 stc89c52rc 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机， 指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选 择。其自带 8kb 的 rom，512b 的 ram，能够满足本设计任务；能够 isp（在系统可 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 17 页 共 48 页 编程）/iap（在应用可编程）无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口 （rxd/p3.0,txd/p3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片；外部中断 2 路下降沿 中断或低电平触发电路，power down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 stc89c52 单片机共有 3 个 16 位定时器/计数器,即定时器 t0、t1、t2，定时范 围为 065535us，定时的精度能达到 1us。本设计使用定时器 0 测量超声波的飞行时间， 系统要求设计一个测量 100cm 以内的复杂边界液面的距离测量，以超声波速度为 340m/s 为例，100cm 的范围内，定时器最大的测量时间为 5882us，stc89c52 的定时/ 计数器完全可以胜任。stc89c52 工作频率范围为 040mhz，实际工作频率可达 48mhz。以常见的 12m 外接晶振为例，每个机器周期为 1us，定时/计数器的分辨率为 1us，在超声波速度为 340m/s 时换算成距离精度，即为 0.034cm 的误差精度，这样的 精度远远满足系统误差的设计要求。 stc89c52 的最小系统如图 3-2 所示。 图 3-2 stc89c52 最小系统板 在本设计中，采用定时 50ms 的定时器 1 为三个超声波探头安排发射超声波顺序的 计时，外部中断和定时器 0 共同协作对回波信号的飞行时间进行计时，在介绍系统软 件的设计之前，有必要了解 stc89c52 单片机的定时器/计数器。 stc89c52 的定时器/计数器相关寄存器有工作方式寄存器 tmod 和控制寄存器 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 18 页 共 48 页 tcon。工作方式寄存器主要用来设置定时器的工作模式、启动方式等，tmod 的各 种符号以及地址如表 3-1 所示。 表表 3-1 定时器工作方式寄存器定时器工作方式寄存器 tmodgatac/error!m1m0gatac/error!m1m0 位地址8fh 8eh 8dh8ch8bh8ah 89h88h （1） 、gate：门控选通位 gate=0：定时器/计数器只受 tr（tr0、tr1）控制。 gate=1：只有 int0、int1 为高电平，且 tr=1 时定时器/计数器才开始工作， int0、 int1 分别控制 t0 和 t1 的运行。 （2） 、c/error!：功能选择位。 c/error!=0：定时器。 c/error!=1：计数器。 （3） 、m1、m0：工作方式选择位。 定时器/计数器控制寄存器 tcon 要用来设置外部终端请求触发方式、定时器运行 控制、显示和设置外部中断请求以及定时器终端标志位。tcon 的各位符号名以及各 位地址如表 3-2 所示。 表表 3-2 定时器定时器/计数器控制寄存器计数器控制寄存器 tcontf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 位地址8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88h （4） 、it0 和 it1：外部中断请求触发方式控制位 it0（it1）=1：脉冲触发方式，下降沿触发。 it0（it1）=0：电平触发，低电平有效。 （5） 、ie0 和 ie1：外部中断请求标志位 ie0（ie1）=1：外部中断置位，允许外部中断。 ie0（ie1）=1：外部中断复位，不允许外部中断。 （6） 、tr0 和 tr1：定时器/计数器运行控制位 tr0（tr1）=1：定时器/计数器工作。 tr0（tr1）=1：定时器/计数器不工作。 （7） 、tf0 和 tf1：计数溢出标志位。当定时器溢出时，相应的溢出标志位由硬件置 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 19 页 共 48 页 1。 3.2.2 稳压电路 稳压电路是保证系统能够工作稳定状态的关键部分。在稳压电路部分，采用了常 用的 lm7805 稳压芯片。用 78/79 系列三端稳压 ic 来组成稳压电源所需的外围元件 极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价 格便宜。因为三端固定集成稳压电路的使用方便， 在电子制作中经常采用。 本系统 的稳压电路部分采用了经典的接法， 如图 3-3 所示。 图 3-3 稳压电路 3.2.3 超声波探头组 本设计中，超声波传感器选用 hc-sr04 超声波传感器，hc-sr04 超声波测距模块 可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感应探测，测距的精度达到了 3mm，能够满足设计 任务中 100cm 以内测距、10cm 误差的设计要求。并且模块中已经包含了超声波发射、 接收电路以及信号处理电路，外围接口只有四个，分别是依次分别是 vcc、trig、echo、gnd 引脚，其中，trig 为触发信号输入引脚，当给 trig 引 脚至少 10us 的正脉冲时，模块自动发出 8 个 40khz 的脉冲方波，自动检测回波信号。 当有信号返回时，echo 引脚输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波的从发 射到返回被接收的飞行时间，单个超声波模块的测量距离=高电平持续时间*声速/2， 表 3-3 显示了 hc-sr04 的各种参数。 表表 3-3 hc-sr04 电气电气参参数数 电气参数hc-sr04 测距模块 工作电压dc5v 工作电流15ma 工作频率40khz 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 20 页 共 48 页 续表续表 3-3 最远射程400cm 盲区2cm 测量角度15 度 输入触发信号10us 的 ttl 脉冲 输出时间信号输出 ttl 电平信号，与射程成正比 hc-sr04 超声波传感器发射端的原理图如图 3-4 所示。超声波传感器模块中的主 控芯片采用 em78p153 单片机，em78p153 采用高速 cmos 工艺的 8 位单片机，内部 有 512*13 位一次性 rom（otprom）和一个 8 位定时/计数器。em78p153 在接收到 外部至少 10us 的正脉冲之后，启动 8 位定时/计数器产生 40khz 的方波脉冲，经过 max232 驱动，超声波发射端探头产生和方波脉冲频率相同的声波脉冲。 图 3-4 hc-sr04 超声波发射端电路图 超声波传感器的接收端原理图如图 3-5 所示。在超声波接收单元中，超声波接收 探头接收到回波信号，