超声波油量测量仪设计定毕业设计

编号 本科生毕业设计超声波油量测量仪的设计Design of Supersonic OilInstrumentation Quantity Instrument学 生 姓 名 席天文专 业 计算机科学与技术学 号 0641216指 导 教 师 刘广文学 院 信息工程分院20010 年 6 月长春理工大学光电信息学院毕业设计摘 要本设计针对加油站储油罐中油量的测量问题，深入讨论了用超声波作为信号源进行液位测量的可行性及优越性，讨论了产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法。本设计以 AT89C52 单片机最小系统为核心，以超声波测距原理为理论依据，利用超声波作为控制信号对油量进行自动检测和数据处理，减少测量过程中的人工干预，提供了一个带有显示、键盘的人机对话界面，方便了操作人员对油量的实时监控，通过微型打印机或与 PC机进行通信等方式打印、保存有关数据，能够更好地对油量的存储情况进行管理。本超声波油量测量仪，成本低，操作简便，功能强大，与传统的液位测量方法相比，具有非接触、速度快、精度高、自动控制、可靠性强、价格低廉等优点。关键词:超声波 液位测量 单片机 非接触长春理工大学光电信息学院毕业设计Abstract The design for the gas station fuel tanks in the measurement problem, in-depth discussion of the use of ultrasound as a signal source to carry out the feasibility of liquid level measurement and the superiority of the errors discussed a variety of reasons, the corresponding solution.AT89C52 single-chip designs to the smallest system to the core, the principle of ultrasonic distance measurement theoretical basis for the use of ultrasound on oil as a control signal for automatic detection and data processing, to reduce the measurement in the process of human intervention, provided with a display , keyboard interface of man-machine conversation and make it easier for operators of real-time monitoring of oil through the micro-printer or PC-communication such as print, save the data, to better the situation on the oil storage management. Ultrasonic measurement of the fuel, low cost, simple, powerful, and traditional methods of liquid level measurement, with non-contact, high speed, high precision, automatic control, reliable and low cost advantages. Keywords: Ultrasonic liquid level measurement single-chip non-contact长春理工大学光电信息学院毕业设计I目录第一章 引言 .11.1 国、内外液位计量仪表的现状.11.1.1 国外液位计量仪表的现状 .11.1.2 国内储罐液位计量仪表的现状 .21.2 超声波油量测量仪的研究目的及意义.21.3 超声波油量测量仪的研究内容.3第二章超声波油量测量仪测量原理 .42.1 超声波传感器工作原理.42.1.1 超声波传感器基本结构及工作原理 .42.1.2 超声波发射器 .52.1.3 超声波接收器 .62.1.4 T/R40 超声波传感器 .72.2 超声波油量测量仪测量原理.72.2.1 测量原理 .72.2.2 超声波测距的理论分析 .9第三章 超声波油量测量仪的总体设计 .133.1 总体设计思想.133.2 工作过程.14第四章 系统结构及硬件设计 .154.1 超声波油量测量仪的硬件设计思想.154.2 AT89C52 单片机最小系统.154.3 超声波发射电路设计.164.3.1 超声波发射电路功能 .164.3.2 超声波发射电路原理图 .164.4 超声波接收电路.174.4.1 超声波接收电路功能 .174.4.2 超声波接收电路原理图 .184.5 8279 接口电路与键盘显示电路.194.5.1 8279 接口电路设计 .19长春理工大学光电信息学院毕业设计II4.6 基于 DS18B20 的温度测量电路. 214.6.1 温度传感器 DS18B20 简介 .214.6.2 DS18B20 与单片机的典型接口设计 .224.7 与 PC 机通讯接口的设计.22第五章 软件设计 .235.1 软件总体设计.235.1.1 软件设计总体框图 .235.1.2 软件程序中各部分模块介绍 .235.2 超声波驱动与数据 处理模块.245.2.1 超声波发射程序 .245.2.2 外部中断 0 的中断服务程序 .255.3 功能模块.265.3.1 键盘与显示子程序 .265.3.2 通讯子程序 .27第六章 抗干扰处理 .306.1 硬件抗干扰措施.306.2 软件抗干扰措施.30结 论 .32参考文献 .33致 谢 .34长春理工大学光电信息学院毕业设计III长春理工大学光电信息学院毕业设计1第一章 引言1.1 国、内外液位计量仪表的现状1.1.1 国外液位计量仪表的现状早 期 国 外 液 位 计 量 仪 表 大 多 采 用 机 械 原 理 ， 但 近 年 来 随 着 电 子 技术 的 应 用 ， 逐 步 向 机 电 一 体 化 发 展 ， 并 且 发 展 了 许 多 新 的 测 量 原 理 。在 传 统 原 理 中 也 渗 透 了 电 子 技 术 及 微 机 技 术 ， 结 构 有 了 很 大 的 改 善 ，功 能 也 有 了 很 大 的 提 高 。 从 国 外 液 位 仪 表 的 发 展 动 向 看 ， 当 前 主 要 有三 个 热 点 ： 智 能 化 液 位 仪 ； 非 接 触 测 量 方 式 的 液 位 仪 ； 新 原 理的 小 型 液 位 开 关 。目 前 使 用 的 液 位 仪 有 以 下 几 种 ：(1)人 工 检 尺利 用 浸 入 式 刻 度 钢 皮 尺 测 量 液 位 ， 取 样 测 量 油 温 和 密 度 ， 通 过 计算 ， 得 到 储 液 的 体 积 和 重 量 ， 这 是 至 今 仍 然 在 全 世 界 广 泛 使 用 的 储 罐计 量 方 法 ， 也 可 把 它 用 作 现 场 检 验 其 他 测 量 仪 表 的 参 考 手 段 。 人 工 液位 测 量 的 精 度 一 般 为 士 2mm 的 人 为 误 差 。(2)机 械 钢 带 式 液 位 仪钢 带 式 液 位 仪 采 用 一 个 又 大 又 重 的 浮 子 ， 由 一 条 多 孔 钢 带 将 浮 子连 接 至 一 个 恒 转 矩 装 置 或 平 衡 锤 。 浮 子 的 重 量 足 以 带 动 多 孔 钢 带 通 过齿 轮 装 置 推 动 机 械 计 数 器 作 现 场 显 示 ， 同 时 带 动 电 动 变 送 器 ， 以 便 获得 远 距 离 显 示 。 由 于 滑 轮 机 械 装 置 的 摩 擦 力 和 钢 带 重 量 ， 这 类 液 位 仪的 测 量 误 差 一 般 约 为 士 (4-10)mm。(3)智 能 化 液 位 仪伺 服 式 液 位 仪 是 此 类 仪 表 的 代 表 。 这 类 仪 表 通 过 一 个 平 衡 浮 子 和重 力 敏 感 装 置 ， 测 量 浮 子 的 重 量 (在 液 面 、 液 内 、 界 面 上 有 不 同 的 浮 力 )，并 控 制 伺 服 电 机 动 作 升 降 浮 子 ， 跟 踪 液 位 变 化 ， 同 时 发 出 远 传 信 号 。伺 服 式 液 位 仪 的 微 机 智 能 化 ， 使 得 它 的 跟 踪 误 差 可 达 0.1mm。 同 时 还能 补 偿 液 面 高 低 对 钢 丝 绳 产 生 的 附 加 重 量 的 误 差 ， 最 高 精 度 可 达 士0.7mm。(4)超 声 波 液 位 仪长春理工大学光电信息学院毕业设计2超 声 波 液 位 仪 是 非 接 触 液 位 仪 中 发 展 最 快 的 一 种 。 该 技 术 基 于 超声 波 在 空 气 中 传 播 遇 到 被 测 物 体 表 面 产 生 反 射 的 原 理 。 智 能 化 的 超 声波 液 位 仪 带 有 一 个 功 能 很 强 的 智 能 回 波 分 析 软 件 包 。 它 可 以 将 各 种 干扰 过 滤 出 来 ， 识 别 多 重 回 波 ， 分 析 信 号 强 度 和 环 境 温 度 等 有 关 信 息 ，这 样 即 使 在 有 扰 动 条 件 下 读 数 也 是 精 确 的 。(5)雷 达 液 位 仪连 续 式 微 波 液 位 仪 这 几 年 逐 步 推 向 市 场 。 它 通 常 采 用 调 频 雷 达 原理 ， 利 用 同 步 调 频 脉 冲 技 术 ， 微 波 发 射 和 接 收 器 安 装 在 罐 顶 ， 向 液 面发 射 频 率 调 制 的 微 波 信 号 。 当 接 收 到 回 波 信 号 时 ， 由 于 来 回 传 播 的 时间 延 迟 ， 发 射 频 率 已 改 变 了 。 将 两 者 信 号 混 合 处 理 ， 所 得 信 号 的 差 频正 比 于 罐 顶 到 液 面 之 间 的 距 离 。 荷 兰 Enraf 公 司 的 Radar872 液 位 仪 采用 同 步 调 频 脉 冲 技 术 精 度 达 士 2mm。 1.1.2 国内储罐液位计量仪表的现状国 内 的 立 式 油 罐 主 要 分 布 在 炼 油 厂 、 化 工 厂 和 石 油 销 售 公 司 三 大系 统 。 从 计 量 方 法 看 主 要 有 三 种 :检 尺 法 、 液 位 法 和 静 压 法 。目 前 国 内 计 量 仪 表 的 发 展 主 要 采 用 引 进 加 仿 制 等 手 段 。 近 年 来 中科 院 声 学 所 、 武 汉 大 学 都 研 制 了 光 纤 液 位 测 量 系 统 。 MET-1 型 磁 效 应液 位 仪 采 用 磁 效 应 原 理 ,精 度 为 0.05%,1995 年 又 推 出 了 BL30 雷 达 液 位仪 ， 精 度 为 士 1+(空 高 )3。 总 后 油 料 研 究 所 最 新 研 制 的 UGJ98 型光 导 式 油 罐 计 量 遥 测 系 统 ， 采 用 光 栅 干 涉 原 理 ， 以 圆 光 栅 传 感 器 为 核心 ， 结 合 高 速 数 据 采 集 和 抗 干 扰 处 理 技 术 及 RS-485 总 线 标 准 ， 实 现 了机 光 电 一 体 化 ， 一 次 仪 表 不 带 电 ， 系 统 综 合 精 度 达 到 士 2mm。1.2 超声波油量测量仪的研究目的及意义在 石 油 化 工 领 域 中 ， 储 油 罐 中 油 量 的 计 量 越 来 越 显 示 出 其 重 要 地位 。 目 前 石 化 部 门 使 用 的 大 型 储 罐 大 多 是 立 式 圆 柱 形 罐 或 球 形 罐 ， 其容 量 一 般 在 1000100000 3m之 间 ， 很 小 的 测 量 误 差 会 造 成 很 大 的 绝对 误 差 。 因 此 提 高 油 的 计 量 精 度 和 自 动 化 管 理 水 平 ， 其 重 要 性 是 明 显的 。 从 80 年 代 开 始 ， 随 着 微 电 子 、 计 算 机 、 光 纤 、 超 声 波 、 传 感 器等 高 科 技 的 迅 猛 发 展 ， 一 些 发 达 国 家 纷 纷 将 各 种 新 技 术 、 新 方 法 、 新仪 表 渗 入 到 储 罐 计 量 领 域 ， 使 储 罐 油 量 自 动 计 量 达 到 了 “多 功 能 、 高长春理工大学光电信息学院毕业设计3精 度 、 现 场 化 ”的 新 阶 段 。随 着 智 能 化 检 测 技 术 的 不 断 发 展 ， 利 用 超 声 波 进 行 油 量 检 测 在 加油 站 及 油 库 中 起 着 越 来 越 重 要 的 作 用 。 虽 然 一 些 地 区 使 用 了 超 声 波 油量 测 量 仪 ， 但 绝 大 多 数 是 用 集 成 电 路 设 计 成 的 ， 这 种 专 用 集 成 电 路 成本 很 高 ， 没 有 显 示 ， 操 作 很 不 方 便 。 为 了 克 服 这 些 缺 点 ， 本 课 题 利 用单 片 机 AT89C52 为 核 心 ， 控 制 超 声 波 对 油 量 进 行 自 动 检 测 和 数 据 处理 ， 提 供 了 一 个 带 显 示 ， 键 盘 和 微 型 打 印 机 的 人 机 对 话 界 面 ， 且 能 与PC 机 通 信 。 该 超 声 波 油 量 测 量 仪 与 传 统 的 测 量 方 法 相 比 具 有 非 接 触 、精 度 高 、 实 时 测 量 、 可 靠 性 强 等 优 点 。1.3 超声波油量测量仪的研究内容确 定 了 总 体 方 案 之 后 ， 在 对 超 声 波 测 距 的 可 行 性 进 行 了 理 论 分 析的 基 础 上 ， 利 用 计 算 机 技 术 、 电 子 技 术 、 以 及 超 声 波 在 介 质 中 的 传 播特 性 等 ， 研 制 出 了 超 声 波 油 量 测 量 仪 的 硬 件 部 分 ， 编 写 了 相 应 的 软 件程 序 ， 并 进 行 了 调 试 和 试 运 行 。 在 硬 件 电 路 的 设 计 中 ， 由 于 我 们 需 要测 的 距 离 较 长 (几 米 到 十 几 米 )， 针 对 超 声 波 在 传 播 时 呈 指 数 衰 减 的 特性 ， 我 们 采 取 了 最 大 限 度 提 高 驱 动 能 力 、 对 回 波 进 行 多 级 放 大 等 措 施 ，扩 大 了 测 量 的 范 围 。 在 软 件 设 计 中 ， 我 们 采 用 模 块 化 程 序 设 计 思 想 ，将 软 件 分 为 超 声 波 驱 动 与 数 据 处 理 模 块 和 功 能 模 块 ， 每 个 模 块 又 由 若干 小 模 块 组 成 。 对 软 件 的 这 种 处 理 不 但 能 使 软 件 的 结 构 清 晰 ， 而 且 有利 于 软 件 的 调 试 和 修 改 。 另 外 ， 为 了 保 证 超 声 波 油 量 测 量 仪 工 作 的 可靠 性 和 稳 定 性 ， 在 软 、 硬 件 两 个 方 面 都 采 取 了 相 应 的 抗干 扰 措 施 。长春理工大学光电信息学院毕业设计4第二章超声波油量测量仪测量原理2.1 超声波传感器工作原理2.1.1 超声波传感器基本结构及工作原理人 们 为 研 究 和 应 用 超 声 波 ， 己 发 明 设 计 并 制 成 了 多 种 类 型 的 超 声波 发 生 器 ， 机 械 方 式 和 电 气 方 式 产 生 超 声 波 发 生 器 。 事 实 上 ， 超 声 波发 生 器 即 是 超 声 波 换 能 器 ， 它 将 其 它 形 式 的 能 量 转