毕业设计（论文）-油库储油罐油量自动测量系统的研究.doc

沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）第一章 课题来源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国外液位计量仪表早期大多采用机械原理，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，功能有了很大的提高。从国外液位仪表发展的技术动向看，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2mm的人为误差。(2)机械钢带式液位仪60年代到80年代初期，开始研制和使用各种钢带式油量仪。这种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(4-10)mm。机械钢带式油量仪的优点是：结构简单、价格低；缺点是：仅能测液位，传动部件多，可靠性较差，又因需要罐内安装，维护困难。适用范围为存储非腐蚀液体的常压罐、高压罐。(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0.7mm。另外还可以测量密度、界位等计量参数，具有自诊断及通信功能。由于几乎没有传动部件，因此仪表可靠性高。目前荷兰enraf公司的atg 854伺服液位仪精度可达lmm，主要适用于储油罐的精密计量。(4)超声波液位仪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的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。智能化的超声波油量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，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。新型气密结构、耐腐蚀的超声换能器可测量高达15m的液位，e+h公司研制的prosonic fmu860/861/862超声油量仪精度可达0.2%，fmu 40/41超声液位仪精度可达2mm，输出信号符合hart协议或profibus总线标准或ff总线标准。(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2mm，1995年新推出的smartradar雷达液位仪利用平面天线技术(pat)、高级数字信号处理技术(adsp)和虚拟天线技术(vat)，结合宽阵列线性平面天线，提高了信号纯净度，能够分析全反射谱，考虑假回波、蒸汽影响和其他因素，避免了由于墙壁反射干扰效应造成的精度损失，使测量精度可达土lmm。法国auxttrol公司的ta840雷达液位仪采用多点平面天线技术，信号是通过rs485传输，精度可达1mm,德国krohne公司的bm70p雷达液位计采用hart协议，精度可达1mm。1.1.2国内储油罐油量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，还有许多合资企业代理国外相应产品。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，北京航天智控工程公司研制的ubg光导电子液位仪精度可达2mm。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 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2mm。1.2油库储油罐油量自动测量系统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 m3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、高精度、现场化”的新阶段。人工检尺法是利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，操作人员需要爬到储罐的顶部进行测量。这种方法的缺点是测量精度低，速度慢，劳动强度大，不便于微机管理。机械钢带式液位仪传动部件多，可靠性较差，又因需要罐内安装，维护困难。伺服式液位仪属机械式测量装置，机械磨损会直接影响其测量精度，需定期维修和重新标定，工作寿命仍不是很长，测量的重复精度较低，且安装困难。雷达液位仪的测量精度较高，但安装较为复杂，而且价格相当昂贵。激光的传播速度很快，不便于信号处理。x射线液位仪使用了放射源，易引起对环境的污染。现在已有多种液位仪供用户选择，但考虑到价格、安装的方便与否、测量的精度等等问题，对于资金并不充裕的小型加油站来说，可供选择的油量测量仪就不多了。研制一种安装、使用简便，测量准确又价格低廉的油量测量仪就是本课题要完成的任务。超声波在空气中的传播速度340米/秒，与光的传播速度(3108米/秒)相比小很多，因此对超声波信号的处理也容易很多，加之成本较低，所以，超声波是比较理想信号源。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at89s52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，数据发送的人机对话界面，且能与上位机通信。该超声波油量测量仪使用简便，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油库储油罐油量自动测量系统的研究内容目前，市场上的超声波油量测量系统多数采用单片机作为液位计控制和运算的核心，主要由硬件决定着测量结果的精度。在对超声波传播特性研究的基础上，设计了基于单片机的油量测量的硬件系统和软件系统，并将测量的数据通过无线收发系统发送到接收端。实现油量测量的自动化。具体包括：1、 油量测量。2、 单片机的选择与使用。3、 无线收发模块的选择和使用。4、 硬件电路和软件的调试。 第二章 方案设计2.1总体设计思想油库储油罐油量自动测量系统包括超声波油量测量和无线数据传输两部分。其中超声波油量测量是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收。测出从超声波发射脉冲串至接收到回波信号的传输时间，即渡越时间，超声波在同一种介质中的传输速度是不变的，那么由渡越时间和声速，就可算出要测的距离。无线数据传输部分采用无线收发模块来完成。根据设计要求，本油量测量仪需要将超声波检测技术与无线收发技术相结合，对储油罐中的油量进行自动测量，并能显示和发送出有关数据，从而形成与上位机进行通讯便于监控和管理。油库储油罐油量自动测量系统的总体设计框图如图2.1所示。单片机系统超声波发射电路超声波接收电路led显示电路无线数据传输模块图 2.1 油库储油罐油量自动测量系统油库储油罐油量自动测量系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括at89s52单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、无线数据传输电路等部分；软件部分主要包括系统初始化模块、超声波驱动及信号处理模块、显示模块、无线收发模块等，软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。2.1.1超声波的基本特性本章就超声波的油量测量原理特点及测量系统的设计进行分析研究。一般声波都是由机械振动产生的机械波它在不同介质中以不同的速度，然而传播频率高于20000hz的声波称为超声波，人耳不能识别。一般用压电效应产生。特点是：1）频率高波长短定向好；2）振幅小加速度大能量集中功率高强度大；3）在不同介质界面上大部分能量反射，因而，超声波特别适合于距离测量。超声波在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为 (2.1)由公式2.1知当温度已知时超声波速度既定只要记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。通过测量接收超声波能量同样可以求出被测距离。在传播的过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 (2.2)上面公式2.2中字母都有特定意义，其中，a为衰减系数，b为介质常数，f为振动频率。在空气中，声波在空气媒质中传播，因空气运动摩擦的原因，能量被吸收损耗。 频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程的需要，在设计超声波液位计时，选用频率等于40khz的超声波，波长为0.85cm。超声波入射到两种不同介质的分界面时都会发生反射折射和透射利用这一特征可实现超声波的液位测量。超声液位测量有定点测量和连续测量两种。定点测量一般是在容器某一高度水平上选择两点，一点用于发射超声波，另一点用于接收超声波，以判断随时间改变的物料是否达到已知高度；连续测量则要求检测出容器中物料任意位置的高度，通常采用从容器的顶部连续向物料发射超声波的检测方法，连续测量液位时利用反射原理发射换能器发出超声波脉冲，到达物面后反射回来由接收换能器接收。根据超声波往返时间在已知声速的条件下即可测得液位（即利用超声波测量距离的原理）。2.2超声波测距的理论分析在超声波检测技术中，主要是利用超声波反射、折射、衰减等一些物理性质来实现检验的目的。超声波测量方法有很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。它的基本工作原理是:发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波;反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，利用公式3就可以确定液位的高度了。公式2.3中的v对于液介和气介方式，分别是液体和气体媒质中的声速，对于固介的方式，它是所选用的声波波形(纵波、横波、弯曲波、扭转波等)在传声固体中的传播速度。从超声波脉冲传播的时间来确定液位都必须己知传声媒质的声速。然而，对于气介式和液介式超声波液位计，声速会随媒质的组成、温度、压强的变化而变化。在固介中不同波形也有不同的传播速度。因此，只有当测试条件比较理想，媒质的成分、温度、压强等没有很大变化，才可把传声媒质的声速近似看成不变，直接由测量的声波传播时间来确定液位，否则就应该对传声媒质的声速进行校正。 (2.3)发射传感器接收传感器液面图2.2 超声波夜位检测仪示意图根据图2.2可知，由公式2.3所计算得到的传播距离到液面的距离为s。设传感器到液面的距离为h，s和h的换算关系为所求。 (2.4)得到的h是实际液位。其中，为发射超声波的入射角。设超声波的发射传感器和接收传感器距离容器底部的距离为l，传感器之间的距离为m，那么液位的计算公式为 (2.5)然而，公式(2.5)只是理论上可以实行的计算方式。在实际应用中，这个计算方式是不能广泛的运用的。在实际应用中，超声波传感器到储油罐油面的距离通常用公式(2.3)来完成计算。根据传声媒质的不同，超声波液位测量技术可分为气介式、液介式或固介式三类。根据所用传感器的工作方式，又可分为自发自收单传感器方式和一发一收双传感器方式。组合后可以得到的六种检测方式。一般说来，单探头的自发自收工作方式是优先考虑采用的。这是因为单探头方式中液位计算公式比较简单，同时检测系统也简单，安装、维修比较方便。但是，本文采用的是压电陶瓷传感器，由于压电陶瓷传感器的余震较为严重，单发单收的探头检测死区较大。为避免这一点，本系统采用双探头的设计，即采用两个超声波传感器：一个用来接收，一个用来发射。采用的传播介质为气体。本文采用的是压电陶瓷传感器，发射探头和接收探头采用两个传感器，分别具有发射超声波和接收超声波的功能（将电信号转为超声波信号同时将接收的超声波信号转换为电信号）。这样，设计电路结构简单安装使用也方便，为进行温度补偿通常还将温度传感器封装在探头中。采用渡越时间检测法（从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，就是渡越时间）。显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测量精度。这里利用单片机定时器计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需准确度。具体的做法是，每隔一定的时间发射一串超声波脉冲，发射脉冲串的同时开始单片机定时器记数，在超声波接收器接收到反射信号时，停止单片机计数。单片机定时器所计的时间，就是渡越时间，代入式2.5中，就可以算出油量。由于液位计量仪的超声波是不可见波，超声波传感器的接收器接收到的信号，是否正好是从液面反射的信号，无法确定，一般存在三种可能情况：（1）从液面反射的信号；（2）表井壁反射的信号；（3）超声波传感器的发射器发出信号，经液面上方的气体层，穿过液体，在罐底反射，再经过液体、气体，直到被接收器接收。如果这三个信号都足够强，就会给信号处理带来一定的困难，使处理器无法分辨哪个是有用的信号，从而造成测量上的误差。因此，我们在设计、制作超声波液位检测仪的时候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪个信号，下面将就此问题进行讨论：我们知道，超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大。而逐渐减小，这种现象称为衰减。引起衰减的原因大致有三个：（1）由声束扩展引起的衰减；（2）由散射引起的衰减；（3）由介质的吸收引起的衰减。下面讨论波被反射、折射时的情况：（1）波束垂直入射到两种介质的界面如图5所示，当声平面波垂直入射到声特性阻抗不同的两种介质的平界面时，入射波的能量的一部分进入介质，透射波能量为；部分被界面反射，仍在i中传播，其能量为。根据能量守恒定律： (2.6)介质2（油）介质1（空气）入射波束反射波束透射波束图2.3 波束垂直入射到液面的反射波和透射波由此可知，在此界面上虽然透射波的声压比较大，但是波的能量非常小，几乎都被反射回空气介质中。由于波的强度正比于振幅的平方，透射波的振幅己很小很小了，以后的传播过程可以不考虑。（2）波束斜入射到液面和井壁(如铝罐)当超声波由一种介质斜入射另一种介质时，如两种介质的声速不同，在界面上会产生声波的反射、折射和波形转换等现象。由于折射波不会被接收器接收，我们只考虑波的反射问题。波的反射遵循反射定律，入射角为，反射角为，有： (2.7)因为入射波和反射波在同一种介质里传播，波的传播速度都是v，因此有：=，即入射角等于反射角。超声波的方向性很强，扩散得很少，加上这部分信号多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考虑。由以上分析可知，虽然超声波在传播过程中有能量损耗，且波束可以有多种路径传播，同时还存在着多种干扰信号，但就接收器接收到的信号强弱而言，只有从液面反射的信号最强。所以可以很容易地将此信号滤出，并对它进行处理。2.3超声波传感器2.3.1超声波发射器发射器的作用是形成与被检测对象相作用的超声波束，它的特性包括共振频率、方向性、电声变换效率、稳定性等等。超声波发射器的驱动机构包括：反压电效应、电致伸缩效应、动电效应、电磁效应，磁致伸缩效应等，它恰好是上述超声波接收器的相反作用，所以从结构上看，发射与接收呈一一对应的关系。发射器的发射效率由振子的电/机械变换效率与机械/音响变换的乘积决定，前者取决于振子的材料特性和结构，后者取决于处理声波传播介质的声阻差的调整器。将电致伸缩板，用两片金属板做成夹层结构构成的兰杰文扳，具有较高的变换效率，多用于水中超声波发生器。2.3.2超声波接收器电容式微音器利用张紧的聚脂膜作为感压膜，膜的上表面涂敷金属，下表面朝向金属电极。压电型主要用石英晶体或氧化锌材料。电致伸缩型微音器的接收器用反压电效应大的电介质板或薄膜作为接收器。在压电膜上制作梳状电极，可以构成检测超高频段的声表面波的传感器。动圈式微音器的结构为在磁场中放置带有受音板的可动线圈或导体带，当它们因超声波而运动时，产生感应电动势，由于受音体惯性大，因而只适用于低频。电磁效应型接收器的结构是将磁性受音板作为磁路的一部分，在磁路中设置拾音线圈。当超声波传来时，受音板发生位移，使磁路磁场发生变化，在拾音线圈中产生电动势。基于反磁致伸缩效应的超声波接收器的构造主要有用磁致伸缩材料构成的线圈状结构，适用于低频;还有用磁致伸缩材料涂敷在物体表面上形成的结构，适用于高频，前者检测感应电流；后者检测置于静磁场空腔谐振器内，因超声波导致的磁阻致伸缩效应引起的微波磁场。2.3.3 t/r40超声波传感器超声波传感器具有发射超声波和接收超声波的功能，它是进行能量转换的器件。超声波传感器有机械方式和电气方式两种，其工作原理是：(1)发射传感器将其他形式的能量转换成超声波能量；(2)接收传感器将超声波的能量转换成其他易于检测的能量，通常是电能和超声波声能之间的转换。机械方式包括：气流旋笛、液哨、加尔统笛等：电气方式包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等。各种类型的超声波传感器产生的超声波的功率、频率和声波特性不尽相同。目前使用较多的是压电陶瓷超声波传感器。压电型超声波传感器的工作原理:它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器有2块压电晶片和一块共振板，给它的两极加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。相反，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时。将压迫两片压电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此时的传感器就成了超声波接收器。空气中频率较低的超声波耦合良好，所以本系统选用40khz的t/r40-16型压电陶瓷超声波传感器。t/r40-16超声波传感器在输入频率为40khz时，各种特性呈现最佳状态。(1)超声波传感器型号代码例：t/r 40_16。t：发射。r：接收。40：中心频率(khz)。16：外壳直径(mm)。当t/r40超声波传感器在输入频率为40khz时，各种性能都呈现出最佳状态，因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的频率为40khz。2.4显示电路部分的方案设计在显示数据中，我们既可以采用led显示也可以采用lcd显示，但是考虑到价钱、使用寿命以及功耗等方面的原因，最终确定显示电路部分采用4位共阳的led数码管来显示，其中包括两个小数位和两个整数位。因为该设计在实际应用中的数值不会超过100。位驱动采用三极管作为驱动led来完成。2.5无线收发模块部分的方案设计无线传输部分的设计，主要是无线收发模块的选择。目前市场上的无线收发模块种类繁多，功能也不尽相同，价格也不同。例如，nrf2401a的最高工作速率1mbps，高效gfsk调制，抗干扰能力强，内置硬件8/16位crc校验和点对多点通信地址控制，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；内置专门稳压电路，使用各种电源包括dc/dc 开关电源均有很好的通信效果；clk，data，dr三线接口，软件编简单。但是在开阔无干扰条件下，通信距离才仅有100米左右；还有ptr4500、ptr4000等，虽然无线速率较高，但是其传输距离较短，一般为5080米。综合本系统在实际中的应用，以及考虑到性价比等多方面的因素。最终选择了nrf905无线收发模块。nrf905是nordicvlsi公司推出的一款无线收发芯片。采用的shockburst技术使nrf905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速mcu来进行数据处理/时钟覆盖。32脚封装(32lqfn5x5ram)，供电电压为1936v，工作于433868915mhz三个ism(t业、科学和医学)频道。微处理器可以通过spi接口及相关指令访问nrf905的寄存器，功耗低，高抗干扰gfsk调制，可跳频，载波检测输出，地址匹配输出以及数据就绪输出。这个模块接收发送功能合一，符合本设计的需求，而且433mhz开放ism频段可免许使用，以及其最高发射速率50kbps，10dbm发射功率条件下，配置外置鞭状天线有效通信距离在300米左右，这个距离基本上达到了我们这个设计在实际应用中，对距离的要求。而且抗干扰性能强，很强的扰障碍穿透性能。内置硬件8/16位crc校验，数据传输稳定，降低系统开发难度。通过将与rf协议有关的高速信号处理放到芯片内，nrf905提供给应用的微控制器一个spi接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定，该系统中波特率设置为4800bps，可以顺利完成数据的传输。2.6单片机的选择作为超声波液位仪系统的核心部件，单片机的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机及面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器(dsp)。dsp器件在工控领域的应用，从长远看是一个必然的趋势，但目前dsp器件的使用偏重于高端应用领域，对于智能仪表所开发的功能得不到充分利用，不能很好的体现器件优势。51单片机具有开发技术成熟、应用广泛等优点，尤其是在atmel公司将flash存储技术应用到单片机产品中，将flash存储技术与intel公司的mcs-51核心技术相结合，形成了at89系列单片机。at89s52是美国atmel公司生产的低电压，高性能，cmos8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128位的随机存取数据存储器（ram）,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大，at89s52单片机的高性价比，可灵活应用于各种控制领域。第三章 硬件设计3.1超声波油量测量系统的硬件设计思想按设计要求，根据超声波测距原理，以at89s52单片机系统为核心，开发超声波油量测量系统。它的各部分电路的说明如下：1、超声波发射电路的作用是将单片机送来的40khz的脉冲信号进行放大，以满足超声波发射传感器的驱动要求。2、超声波接收电路主要包括放大、电压比较和中断信号输出等部分。它是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信号。3、显示电路主要是把测出的数据经过处理后进行显示。4、根据设计要求：系统计算出油罐的油量后要通过无线收发模块把测量的数据发送出去。需要用到一个nrf905无线收发模块。5、综合以上的设计要求，选用了比较常用的at89s52单片机最小系统作为超声波油量测量仪的核心部分，其主要任务是发出40khz的脉冲串用来驱动超声波发射换能器发出超声波；通过定时器t1对超声波的传输时间进行计时；根据测出的时间和有关参数计算出距离等数据；把测量好的数据通过无线收发模块发送出去。3.2超声波发射电路3.2.1超声波发射电路功能超声波发射器在幅度为20v，频率为40khz的方波驱动下，发出频率为40khz的超声波，遇障碍物后反射，由超声波的接收器接收回波。由于超声波在同一种介质中的传播速度不变，因此通过单片机的定时器可测出超声波脉冲串发射至接收到回波信号所需的时间t，根据公式，即可算出超声波传感器到障碍物之间的距离，其中v为超声波的传播速度。由于要测量的距离不固定，可能还是动态的，所以用at98s52的p2.6管脚，发出间歇式的脉冲串(每8个脉冲为一串)，等到接收到回波并计算出距离后再发下一串脉冲。这样发一次脉冲测量一次距离。3.2.2超声波发射电路的设计图3.1 超声波发射电路原理图根据硬件设计思想，这部分电路要将单片机p2.6管脚输出的40khz脉冲信号的幅度放大20v左右，以满足超声波传感器发射器的要求，所以超声波发射电路主要是由一个含有三极管a966的放大电路、变压器和一个超声波发射换能器构成。由于采用普通的非门驱动时，超声波发送的距离较近，不能满足系统的要求。所以采用了变压器和三极管来驱动发射电路。由于要通过变压器来增大输出信号的能量，输出信号是40khz，所以选择的是高频变压器。原理图如图3.1所示：由第二章的讨论可以知道，油量测量仪所用的t/r40-16型超声波传感器在频率40khz，幅值20v的电压驱动下，各种性能最佳，所以通过单片机的p2.6管脚输出40khz的脉冲信号给发射电路。由于单片机p2.6口的输出电压为5v，其驱动能力达不到要求，所以用了一个三极管来驱动超声波传感器的发射器。它的工作原理是这样的：p2.6管脚输出频率为40khz的方波，用来控制三极管的导通与截止，从而在变压器的输入端得到一个幅度将近20v的方波，使得超声波的发射器得到足够的能量。变压器在这里主要起隔离作用。3.3超声波接收电路3.3.1超声波接收电路功能超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，经过cx20106a进行整形滤波等一系列的处理以后，从引脚7输出给单片机。整个接收电路中的主要部分就是cx20106a芯片的应用。cx20106a的引脚注释如下：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40。2脚：该脚与gnd之间连接rc串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻r或减小c，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但c的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为r=4.7，c=3.3f。3脚：该脚与gnd之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端vcc接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取r=200时，若取r=220，则中心频率。6脚：该脚与gnd之间接入一个积分电容，标准值为330pf，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8脚：电源正极，4.5v5v。3.3.2超声波接收电路的设计如图3.2 超声波接收电路原理图通过油面反射回来的超声波被r传感器接收到后，经过cx20106a对回波信号进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和波形整形等处理后，输出的低电平作为at89s52外部中断0的中断信号使at89s52产生中断，在中断服务程序中停止计数器t0的计时，并计算出有关数据。超声波接收电路的原理图，如图3.2所示。3.4显示电路的设计油库储油罐油量自动测量系统的显示电路，用于显示该系统测量出来的油量。整个显示电路采用4位共阳led动态显示。对于动态显示电路一般是利用cpu控制电路来控制显示块的导通和截止。数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的i/o线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通com端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。段选用的是p0口，位选采用的是p2.0-p2.3。油库储油罐油量自动测量系统的显示电图3.3 数码管显示电路路原理图，如图3.3所示。3.5无线收发模块的选择nrf905采用nordic公司的vlsishockburst技术。芯片的接口大致分为三类。模块原理图如图14所示。1、模式控制接口：该接口由pwr、trx_ce、tx_en组成控制由nrf905组成的高频头的四种工作模式：掉电和spi编程模式；待机和spi编程模式；发射模式；接收模式。2、spi接口：spi接口由csn、sck、mosi以及miso组成。在配置模式下单片机通过spi接口配置高频头的工作参数；在发射/接收模式下单片机spi接口发送和接收数据。3、状态输出接口：提供载波检测输出cd，地址匹配输出am，数据就绪输出dr。3.5.1芯片特点(1)433mhz开放ism频段免许可证使用(2)最高工作速率50kbps，高效gfsk调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合(3)125频道，满足多点通信和跳频通信需要(4)内置硬件crc检错和点对多点通信地址控制(5)低功耗1.9-3.6v工作，待机模式下状态仅为2.5ua(6)收发模式切换时间650us(7)模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便(8)txmode：在+10dbm情况下，电流为30ma；rxmode：12.2ma(9)标准dip间距接口，便于嵌入式应用(10)rfmodule-quick-dev快速开发系统，含开发板3.5.2芯片结构芯片外接管脚如图7所示。mosimiso是发射接收数据的通道；trxce，txen是收发通道的控制端；pwrup是工作模式控制端，csn、sck为串行接口控制端；cd是接收模式下载波监测信号输出端；am是接收到正确的数据包地址后芯片指示信号的输出端；dr是发射完一个数据包后芯片指示信号的输出端；upclk是芯片提供的一个可设置的时钟源信号输出端。nrf905片内集成了电源管理、晶体振荡器、通信协议控制等模块，曼彻斯特编码解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码。可自动处理字头和crc(循环冗余码校验)，使用spi接口与微控制器通信，配置非常方便。由于nrf905采用抗干扰能力强的高斯频移键控(gfsk)调制方式，抗干扰能力强，能很好的减少噪声环境对系统性能的干扰。图3.4 nrf905引脚图3.5.3工作模式nrf905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是接收模式和发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nrf905的工作模式由trxce、txen和pwrup三个引脚决定。详见表3.1。表3.1芯片的工作及节能模式pwruptrxcetxen工作及节能模式0xx关机模式10x空闲模式110射频接收模式111射频发射模式（1）shockburst模式在shockbursttm收发模式下，nrf905自动处理字头和crc校验码。在接收数据时，自动把字头和crc校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和crc校验码，当发送过程完成后，dr引脚通知微处理器数据发射完毕。（2）shockbursttx发送流程a.当微控制器有数据要发送时，通过spi接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给rf905，spi接口的速率在通信协议和器件配置时确定；b.微控制器置高trx_ce和tx_en，激发rf905的shockbursttm发送模式；c.rf905的shockbursttm发送：(1)射频寄存器自动开启；(2)数据打包(加字头和crc校验码)；(3)发送数据包；(4)当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；d.auto_retran被置高，rf905不断重发，直到trx_ce被置低；e.当trx_ce被置低，rf905发送过程完成，自动进入空闲模式。（3）shockburstrx接收流程a.当trx_ce为高、tx_en为低时，rf905进入shockbursttm接收模式；b.650us后，rf905不断监测，等待接收数据；c.当rf905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；d.当接收到一个相匹配的地址，am引脚被置高；e.当一个正确的数据包接收完毕，rf905自动移去字头、地址和crc校验位，然后把dr引脚置高f.微控制器把trx_ce置低，nrf905进入空闲模式；g.微控制器通过spi口，以一定的速率把数据移到微控制器内；h.当所有的数据接收完毕，nrf905把dr引脚和am引脚置低；i.nrf905此时可以进入shockbursttm接收模式、shockbursttm发送模式或关机模式。（4）节能模式nrf905的节能模式包括关机模式和空闲模式。3.5.4稳压电源的设计由于nrf905无线收发模块的工作电压为1.9-3.6v左右。而单片机所用的电压为5v左右。所以采用ams1117稳压器。ams1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1a输出电流且工作压差可低至1v。在最大输出电流时，ams1117器件的压差保证最大不超过1.3v，并随负载电流的减小而逐渐降低。ams1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。ams1117三端口可调节或固定输出电压1.5v,1.8v,2.5v,2.85v,3.3v和5.0v。输出电流1a工作压差低至1v线荷载调节：0.2%max。负载调节：0.4%max。图3.5 3.3v稳压电源原理图本设计中采用的其型号为ams1117-3.3，从而得到输出电压3.3v左右。具体原理图如图3.5所示。3.5.5无线收发模块原理图通过ams1117稳压电源的管脚2对nrf905模块进行供电，部分管脚与单片机直接连接。具体原理图如图3.6所示。图3.6 无线收发模块原理图3.6 综合选择单片机在整体的设计中，超声波发射、接收传感器需要用到2个i/o口，产生40khz的脉冲用到t1定时器，回波的时间计算用t0定时器作为计时功能。显示电路用8个i/o口作为段选和4个i/o口作为位选。按键启动控制占用一个i/o口。市场上面比较通用的单片机为51系列单片机，综合以上的要求，以及市场价格等多方面原因，我们选择使用at89s52单片机。at89s52单片机最小系统由at89s52单片机及其外围电路组成，是整个超声波油量测量仪的核心电路。它通过定时器t0发出40khz的脉冲信号来驱动超声波传感器发射超声波:通过定时器t1来测量超声波的传输时间；测量出时间后根据要求计算出各种需要的数据。(1)at89s52的主要性能包括：1、与mcs-52微控制器产品系列兼容2、片内有8k字节的可在线重复编程快闪擦写存储器(flashmemory)3、编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给4、存储器可循环写入/擦除1000次5、存储数据保存时间为10年6、宽工作电压范围：vcc可由2.7v到6v7、全静态工作：可由0hz到16mhz8、程序存储器具有3级锁存保护9、128x8位内部ram10、32条可编程i/o线11、三个16位定时器/计数器12、中断结构具有5个中断源和2个优先级13、可编程全双工串行通道14、空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容单片机管脚图，如图3.7所示：图3.7 单片机管脚图 (2)at89s52内部分工at89s52内部有256个字节的ram，地址范围是00h-ffh，但实际提供给用户使用的只有128个字节(00h-7fh)，另128个字节(80h-ffh)是特殊寄存器区。本系统的内存分配详见软件设计部分。除rom和ram外，芯片内部还有三个16位的定时器/计数器，在本系统中定时器t0用来做脉冲输出的定时器，定时器t1用来测量超声波的传输时间，t2用作通信协议中波特率的设定。第四章 系统软件设计4.1软件总体设计4.1.1软件设计总体框图目前单片机的主流编程语言有汇编语言和c语言两种。汇编语言的优点是程序效率高、代码短，但存在可读性可移植性差的缺点。c语言的优点是可读性好、可移植性好的优点，但存在代码效率较低、代码较长的缺点。考虑超声波液位测量系统测量速度要求不高，数据计算量大的特点，超声波液位测量系统采用c语言编写。运用模块化程序设计思想，对不同功能的程序进行分别编程，这样不但使得整个软件的层次和结构比较清晰，而且有利于软件的调试和修改。软件设计的思路是：首先进行系统初始化，然后判断是否有键按下，接着发射脉冲串，计时以及计算油的深度等数据，并且将nrf905置于接收模式，当接收到上位机的指令时，单片机将调用不同的功能模块，最后将所测得的数据发送出去。总体流程图如图4.1所示软件设计运用模块化程序设计思想，对不同功能的程序进行分别编程，这不但使得整个软件的层次和结构比较清晰，而且有利于软件的调试和修改。按照液位测量仪的需要，超声波驱动与数据处理模块主要任务是用单片机生40khz的脉冲，驱动超声波探头器发射超声波，同时采用计数器计时；当超波接收器接收到回波信号时停止计时，由此得出超声波的传输时间t，再利用二章所介绍的公式，可求出待测距离h，由此算出液体的高度。4.2超声波发送与数据处理模块4.2.1超声波驱动模块的流程图t/r40_l6型超声波换能器在输入脉冲为40khz左右时，各种性能都达到最佳，所以要求单片机发射出频率为40khz左右的脉冲序列。为了节约硬件成本，本检测仪采用at89s52的内部定时器t0作为发射脉冲的定时器。根据频率与周期的关系，很容易计算出其周期为25，由于采用的晶振为12mhz，即每执行一条指令需用时1，所以定时器t1的定时时间只能取12，也就是说每隔12us的时间就让输出信号翻转一次，这样输出信号就变成了频率将近为40khz的脉冲序列。因为定时时间短，所以t1可采用常数自动重新装入的方式2进行工作，这样能减少t1中断服务程序执行的时间。脉冲序列是通过p2.6管脚输出的，经超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波。当然根据设计的要求p2.6管脚发出的应该是脉冲串(每8个脉冲为一串)，以满足测量的要求。脉冲串发送完毕后，首先调用一段延时程序，用来屏蔽超声波从发射探头直接传到接收探头引起的干扰，然后允许外部中断0中断。超声波发送流程图，如图4.2所示。n开始系统初始化发射超声波接收超声波数据处理并显示发送数据等待控制指令y图4.1 总体流程图结束开始t0计数，t1定时（12us）启动计数器t0延时250允许外部中断发送8个脉冲返回图4.2 超声波发送流程图4.2.2外部中断int0的中断服务程序以及数据处理在启动t1发射脉冲的同时，at89s52的内部计数器t0开始计数。t0的作用就是测量从超声波发射至接收到回波的时间，外部中断0的中断源int0接超声波接收电路的输出。当接收电路接收到反射的回波后，产生外部中断信号，引起at89s52的外部中断0中断，进入外部中断处理子程序。外部中断0处理子程序的主要作用是（1）产生中断后立即关闭计数器t0，并读出超声波的传输时间；（2）利用传输时间和声速计算出油的深度和体积；（3）讲数据存入指定单元并送去显示。工作过程是：首先让t0停止计时，禁止外部中断0中断，然后根据t0产生中断的次数以及定时器初值的变化得到超声波的传输时间t，再调用计算子程序求出油量的深度和体积，并将计算结果暂存到指定单元。最后恢复t1定时，t0重新计数，跳出外部中断处理子程序，等待下次外部中断。具体流程图如图4.3所示。开外部中断暂停计数器t0关外部中断读取时间数据处理并显示返回开始图4.3 外部中断int0中断服务流程图4.3无线收发模块流程图为了便于数据的存储和管理，需要超声波油量测量系统与上位机进行数据传输，将有关数据发送至上位机中，操作人员可以通过这些数据清楚地了解当前的储油罐的油量情况。本设计采用了比较方便的nrf905无线收发模块，油量的数据一直处于测量的状态，同时nrf905不断的检测是否有数据传入，如果接收到数据，进行简单的分析之后，把此时所测量的油量数据通过该模块发送出去。无线收发模块接收、发送流程图如图4.4、图4.5所示。开始模块初始化检测是否有