超声波液位测量仪.doc

第1章 绪 论1.1 液位测量仪的现状1.1.1 液位测量仪的现状液位测量仪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。从国内外液位仪表发展的技术方向看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪；非接触测量方式的液位仪；新原理的小型液位开关27。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液位仪。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(410)mm。机械钢带式液位仪的优点是：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测量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。智能化的超声波液位测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超声液位仪精度可达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)雷达液位仪雷达液位仪发明于60年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器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，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变。将两种信号混合处理，所得信号的差频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达液位仪特别适用于高粘度或高污染的产品，如沥青等。雷达液位仪的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装比较复杂且价格不菲。(6)激光液位仪其测量原理同超声波式液位仪，只是用光波代替超声波。即传感器发射激光，照射被测物面、液面，接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很窄的，在液位仪中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位仪非常适用于开口很窄的容器及高温、高粘度的测量对象。(7)射线液位仪该技术是基于射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻60或艳137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当射线穿透容器时，它被衰减，其衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。液位越高，衰减越大，接收器将射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。由于液位与射线衰减量是非线性关系，所以必须通过统计标定。射线液位仪特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测物体相接触。E+H公司提出了一个“点放射/棒探头接收”的概念，这样放射源被降到最小，而且容易安装，目前该公司研制的FMG671已用于过程控制。(8)新原理的小型液位开关在液位仪表智能化的同时，一些利用新检测原理、新型电子部件构成的小型现场液位开关大量推向市场，使液位仪表呈现两极发展的趋势。较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测液面的超声液位开关；利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位开关；以及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。德国Krohne公司的LS3000谐振振动开关精度可达1mm。1.1.2 储罐液位测量仪表的现状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-I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)x3。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 超声波油量测量仪的研究目的及意义在石油化工领域中，储油罐中油量的测量越来越显示出其重要地位。目前石化部门使用的大型储油罐大多是立式圆柱形油罐或球形油罐，其容量一般在1000100000m3之间，很小的测量误差会造成很大的绝对误差。因此提高油量的测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。射线液位仪使用了放射源，易引起对环境的污染。由上一节可知，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为340米/秒，与光的传播速度(3x108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AT89C51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 超声波油量测量仪的研究内容确定了总体方案后，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，我们采用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。由于本设计对计算的精度要求较高，所以采用C51编程，借助C语言的浮点计算能力，提高计算精度。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。 本文讨论了产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法，为研制更完善的超声波油量测量仪打下了基础。第2章 超声波油量测量仪测量原理2.1 概 述在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到20000Hz之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为有声振动，声振动所激起的纵波称为声波。频率高于20000Hz的机械波叫做超声波；频率低于20Hz的机械波叫做次声波36。 与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道，电磁波的传播速度为3108，而超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致。是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波的是类似的 (2-1) (2-2) 式中A (x)为x处分子的最大位移量，叫做振幅，A0常数，为波源处分子的振幅，为圆频率，x为传播距离，一般选波源处为坐标原点，即波源处x=0，k=2/又为波数，t为时间；又为波长；a为衰减系数。 衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 (2-3) 式中，b为介质常数,f为振动频率，f=/2在空气里，b=210-13s2/cm，当振动的声波频率f=40kHz代入式(2-3)可得a=3.210-4cm，即1/a=31m；若f=30kHz，则1/a=56m。它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波油量计时，选用频率户40kHz的超声波，波长为0.85cm。 2.2 超声波传感器工作原理2.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理人们可以听到的声音频率为20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz8kHz913。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。用超声波作为感知或检测物体的媒介，有非破坏性、遥控性、实时、可穿透等优点，在许多方面体现了其它方法所没有的独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围已达m级，频率已扩大到GHz领域，分辨率达m量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。 人们为研究和应用超声波，已发明设计并制成了许多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。实质上，超声波发生器即是超声波换能器：它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。 压电型超声波传感器的工作原理：它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。其结构原理如图2-1所示。图2-1 超声波传感器内部结构 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。给它的两电极加脉冲信号(触发脉冲)，当其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。超声波传感器用等效电路(如图2-2所示)来分析共振频率附近的超声波换能器的特性： 图2-2 超声波传感器等效电路 换能器的能量用Qm，电能用Qe表示。由图2-2分析可知，Q恰好是电路的串联支路的Q值。设换能器在空载(Z1=0)和有载(Z1-R1)时的Q值分别为QM0、Qm，则有： （2-4） （2-5） （2-6） （2-7）超声波换能的工作效率为： （2-8）当交变电信号从引线加到超声波发射器件中，由压电陶瓷片和谐振片组成的振子会弯曲振动，驱动锥形辐射器发出超声波，当空中传来的超声波被接收器件的锥形辐射器会聚后，驱动振子产生弯曲振动，从而在电极间输出与此波动相对应的交变电信号，通过对此信号的处理，可实现各种检测。2.2.2 超声波传感器的检测方式1.穿透式超声波传感器的检测方式当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm100mm的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。2.限定距离式超声波传感器的检测方式当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。3.限定范围式超声波传感器的检测方式在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。4.回归反射式超声波传感器的检测方式回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。2.2.3 T/R40超声波传感器本仪器所采用的TR40-16型超声波传感器的压电效应曲线如图2-5所示。(1)超声波传感器型号代码(2)超声波传感器结构图 (3)性能指标 T/R40-10 T/R40-12 T/R40-16中心频率 401 kHZ 401 kHZ 401 kHZ发射声压大于 107Db 大于112dB 大于115dB接收灵敏度 -74dB/v/uBar -67dB/v/uBar -64dB/v/ubar-6dB指向 100deg 80deg 50deg电容 110025%PF 250025%PF 240025%PF允许输入电压 20V 20V 20V(4)典型特性曲线声压电平和灵敏度特性曲线如图2-5、图2-6所示。由这些特性曲线可知：T/R40超声波传感器在输入频率为40kHz时，各种特性都呈现出最佳状态，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。 2.3 超声波油量测量仪测量原理2.3.1 测量原理超声波测距的方法有很多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本超声波油量测量仪采用渡越时间检测法。 图2-7为超声波测量原理图储油罐不是标准的圆柱形或球形，制成以后，计量部门要进行各种测量绘制出油的高度与油量的对应表，以便查对。现在常用的人工检尺法就是用钢卷尺测出油的高度，查表得到储油量。下面仅以标准的圆柱形油罐为例进行说明，其他形状的油罐通过改变计算公式同样可以进行油量测量。本次设计的超声波油量仪的发射器和接收器是固定在一起的，安装在罐中表井的盖子上，也就是罐的顶部。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。用超声波测量储罐内的油量，实际就是要测量罐顶到油面的距离，由此算出储油罐内油面的高度，进一步计算出油的体积和重量27。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。如图2-7所示，要测量储油罐内油面的高度h，可先测量罐顶到油面的距离，又转化为测量渡越时间T，若超声波的传播速度为u，罐的总高度为H，则 (2-9)由下式计算测量误差 (2-10)式中，占h为h的测量误差，T为渡越时间的测量误差，u为声速的测量误差。如要求h的测量误差小于1cm，已知声速=344m/s ( 20时)，忽略声速误差，则测量时间的误差显然，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。在这里使用单片机定时器计数，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，每隔一段时间发射一串超声波脉冲，在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。单片机定时一器所计的时间，就是渡越时间，代入式(2-9)中，就可以算出油量。由于超声波是一种声波，其速度与温度有关，u(331.45+0.6t)m/s，t为摄氏温度，在使用中，根据环境温度的变化，要经常进行标定，否则将会有比较大的误差，这也是本仪器需要改进之处。2.3.2 超声波测距的理论分析 超声波油量测量仪已经广泛应用于石油化工领域，与传统的液位测量仪表相比，它具有原理简单、易于微机控制、无接触测量、价格低廉等优点15。由于液位测量仪一般安装在储油罐的井盖上，测量的空间非常窄小，而超声波又是不可见波，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：（本测量仪也适用于一般的液体，故做一般性讨论) (1)从液面反射的信号。 (2)储油罐井壁反射的信号。 (3)超声波传感器的发射器发出信号，经液面上方的气体层，穿过液体层，在罐底反射，再经过液体、气体，直到被接收器接收。 如果这三种信号都足够强，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、制作超声波油量测量仪的时候，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811。 某一点(x处)瞬间所具有的压强，与没有声波存在时该点的静压强之差，称为该点的声压(P)。我们把超声波传感器发出的超声波近似看成是平面波，其声压不随传播距离变化，故忽略扩散衰减。由于超声波传播过程中所遇到的介质颗粒都比较小(大多为挥发性气体分子)，散射衰减也可忽略。因此，我们只需讨论吸收衰减。一束超声波(视为平面波)的声压可表示为： (2-11)式中，P0为声压振幅，P0=PA；P为介质密度：轴的正方向；为超声波的圆频率，=2f；f为振动频率；为介质中声速；必为初相，与记时起点有关。由于存在着吸收衰减，声波振幅随传播距离的增大而减小。由式(2-2) (2-3)知，在空气里，b=210-13s2/cm，当振动的声波频率户f=40kHz，代入式(2-3)可得a=3.2 x10-4cm-1。沿着波的传播方向10米处x=10处： 就是说声波传播出去l0m后，振幅衰减了约1/4016。 我们把单位时间内，通过垂直于波的传播方向上单位面积的能量称为能流密度，能流密度的时间平均值，称为波的强度。 (2-12)c为声特性阻抗，记作Z=c由(2-11)，(2-12)式知，IA2,那么声波传播出去约10米后，声强就衰减了1/2，这就要求在处理超声波接收器接收到的信号时采取多级放大的办法。 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2-8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I0的一部分进入介质II，透射波能量为(It)；另一部分被界面反射，仍在I中传播，其能量为(Ir)根据能量守恒定律 (2-13)声压反射系数 (2-14) 声压透射系数 (2-15) 声强反射系数 (2-16)声强透射系数 (2-17)在空气与液体（如汽油）的界面上，计算r、t、R、T波束从空气中入射到界面，r为正值，说明入射波和反射波相位相同，反射波声压占入射波声压的99.9%。图2-8 波束垂直入射到液面的反射波和投射波t为正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波声压的200%说明反射波与入射波的强度之比为99.8%。说明透射波与入射波的强度之比为0.2%。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，透射波的振幅已经很小很小了，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到另一种介质时，如果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18。波的反射遵循反射定律，入射角为a，反射角为，有： (2-18)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u，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。图2-9为波束斜入射到液面示意图 图2-10为波束斜入射到井壁示意图第3章 超声波油量测量仪的总体设计及硬件设计3.1 超声波油量测量仪的总体设计3.1.1 总体设计思想超声波油量测量仪是根据“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。根据设计要求，本油量检测仪需要将超声波检测技术与计算机技术相结合，对储油罐中的油量进行自动测量，并能显示和打印出有关数据，还能与上位机进行通讯便于监控和管理1923。图3-1 超声波油量测量仪的总体设计框图超声波油量测量仪是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括AT89C51单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、8279接口电路、键盘显示电路、打印接口电路和与上位机通信的接口电路等部分。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、键盘及显示模块、打印和通信模块等，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。为了提高系统的稳定性，采用了一些抗干扰措施。如采用看门狗电路防止系统进入死循环，对信号的处理采用了放大、滤波等措施。3.1.2 工作过程在超声波油量测量仪开始测距前需要通过键盘输入一些相关参数，以便能按照要求计算出距离，进而计算出油的重量、体积等数据。启动超声波油量测量仪测距时，由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，每20个脉冲为一串，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大，再经过电压比较器和D触发器产生中断信号中断单片机的计时，这样就得到了超声波的传输时间，然后在中断服务程序中根据测出的时间计算出距离。中断返回后再发送下一串脉冲。如此反复，每测出五个距离就取一次平均值存储并显示。停止测量后，可以通过通讯接口向上位机传输数据，也可通过小型打印机将数据打印出来。这些操作也可由上位机来控制。操作人员可以通过一台上位机对多个油量测量仪进行测量、数据传输以及输出打印等控制。这样不但减少了测量过程中的人工干预，为测量带来了方便，而且还便于管理。3.2 超声波油量测量仪的硬件设计思想按设计要求，根据超声波测距原理，以AT89C51单片机系统为核心，开发超声波油量测量仪。它的各部分电路的说明如下：1、89C51单片机最小系统是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、体积等数据；控制参数的输入和数据的显示。2、超声波发射电路的作用是将单片机送来的40kHz的脉冲信号放大到20V,以满足超声波发射传感器的驱动要求。3、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。4、根据设计要求：在测量前需要先输入一些参数；系统计算出油的体积、重量后要通过显示器实时地显示出来；需要有一些控制按钮来执行不同的操作，因此需要用到4个7段码显示器和一个34的键盘阵列。由于CPU的机时比较紧张，所以用8279接口电路来管理键盘和显示，它可以独立于CPU自行工作，不占CPU的机时。5、看门狗电路是由MAX813芯片组成，主要完成对系统的实时监测。3.3 AT89C51单片机最小系统AT89C51单片机最小系统由AT89C51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。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。(1) AT89C51的主要性能包括： 1. 与MCS-51微控制器产品系列兼容； 2. 4K字节可编程闪烁存储器； 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. 全静态工作：可由0Hz到24MHz ； 7. 程序存储器具有3级锁存保护；8. 1288位内部RAM ； 9. 32条可编程I/O线； 10. 2个16位定时器/计数器； 11. 具有5个中断源； 12. 可编程串行通道13. 空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。(2)芯片的引脚描述：CHMOS制造工艺的89C51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。图3-2 单片机89C51的管脚图P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.4 超声波发射电路设计3.4.1 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s=T/2即可算出超声波传感器到障碍物之间的距离，其中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AT98C51的P1.0管脚，发出间歇式的脉冲串(每20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，然后每5个距离取一次平均值显示并存储。3.4.2 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P1.0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大功率CMOS管IRF640的放大电路、变压器和一个超声波发射换能器构成。如图3-3所示：图3-3 发射部分电路 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P1.0管脚输出40kHz的脉冲信号给发射电路。由于单片机P0口的输出电压为5V,其驱动能力达不到要求，所以用了一个大功率的CMOS管IRF640来驱动超声波传感器的发射器。它的工作原理是这样的：P1.0管脚输出频率为40kHz的方波，用来控制Q3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。由于变压器的输入端的电阻很小，只有1.5，所以在12V电源的接入端，加了一个150的电阻用来限制电流，这样不至于使电源部分的元件过热。3.5 超声波接收电路3.5.1 超声波接收电路功能 如图3-4所示，超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号控制D触发器的时钟端，将D端口上预先设置好的低电平从Q端发送出，该低电平作为AT89C51外部中断0的中断信号使AT89C51产生中断，在中断服务程序中停止计数器T1的计时，并计算出有关数据。 由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。3.5.2 超声波接收电路原理图接收部分电路主要由两个放大电路、一个电压比较器和一个D触发器构成。如图3-4所示，根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射探头直接传到接收探头，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。所以在放大电路之前接了一个双向开关4066, 4066的控制端接AT89C51的P1.4管脚，当P1.0管脚发脉冲时，将P1.4管脚置成低电平，双向开关导通，即4066的1, 2管脚接通，使得放大电路的输入端接地以屏蔽发射探头直接传过来的干扰信号。脉冲发送完毕之后将P1.4管脚置成高电平，断开1, 2管脚的连接，等待回波信号的通过。其次，在实验中还发现：在接收电路等待回波信号时，由于输入端悬空，使得电路一直有干扰信号，而且这种干扰，影响回波信号的正常接收，所以在输入端加了一个电阻R10，以消除这种干扰。两级放大电路都是含运放UA741的反向比例电路，放大倍数达到了100倍，以满足长距离的测量要求。 根据硬件电路的设计思想：最终要将回波信号转换成单片机的中断信号，所以在对回波信号(正弦波)经过两次放大以后，需要将正弦波转换成方波，于是后面接了一个电压比较电路和一个D触发器。因为输入频率为40kHz，比较高，集成运放构成的电压比较器的响应速度较慢，达不到要求的频响速度，所以采用了集成电压比较器LM311。LM311是一个通用型集成电压比较器，它具有低的偏置电流和失调电流(典型值分别为100nA和6nA )，其响应速度为200ns。可用单电源供电(如+5V)，也可用双电源供电(如12V )。在本系统中采用了12V的双电源供电。通过实验观察，LM311的输出信号符合设计要求，可以把它作为D触发器的时钟信号。D触发器的D端AT89C51的P1.2管脚。平时该管脚置成高电平，当AT89C51发送完驱动脉冲串以后，在允许外部中断0中断的同时，将P1.2置成低电平；当接收到回波信号，并将其转换成D触发器的时钟信号后，D管脚的低电平将通过D触发器的Q端送出，作为AT89C51的外部中断0的中断信号。这样回波信号最终转换成了AT89C51的中断信号，实现了硬件设计思想。图3-4 接收部分电路3.6 8279接口电路与键盘显示电路3.6.1 可编程键盘/显示器接口芯片8279简介8279芯片是一种专用于键盘、显示器的接口芯片，它能对显示器自动扫描，能识别键盘下闭合键的键号。采用专用芯片8279独立于CPU工作对显示键盘自动扫描，可大大提高CPU的工作效率。键盘部分提供的扫描方式，可以和具有64个按键或传感器的阵列相连，能自动消抖及n键同时按下的保护。显示部分按扫描方式工作，可以连接8位或16位显示块。(1)I/O控制及数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，连接内、外总线，用于传送CPU和8279之间的命令和数据。I/O控制线是CPU对8279的控制引线。CS是8279的片选信号，当CS=0时，8279被允许读出或写入信息。WR, RD为来自CPU的读、写控制信号。A0=0时，输入、输出皆为数据。(2)控制与定时寄存器及定时控制控制与定时寄存器用来寄存键盘及显示的工作方式，以及由CPU编程的其他操作方式，这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过译码产生相应的信号，从而完成相应控制功能。定时控制包含基本计数键。首级计数器是一个可编程的n级计数器。n可从231之间由软件编程，以便从外界时钟CLK分频得到内部所需要的100kHz时钟，经过分频，为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。(3)扫描计数器扫描计数器有两种工作方式。按编码方式工作时，计数器作二进制计数，4位计数状态从扫描线SL0SL3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线；按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译码后，从SL0SL3输出。因此，SL0SL3提供四中取一的扫描译码。(4)回复缓冲器、键盘去抖及控制来自RL0RL7的八根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行/列输入线。在逐行/列扫描时，回复线用来搜寻每一行列中闭合的键。当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待l0ms后，再检验该键是否继续闭合，并将该键的地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据被送入8279内部FIFO(先进先出)存储器。键盘数据格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0控制移位扫描回复D7，D6的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描(D5, D4, D3)和回复(D2, D1, D0)则是被按键置位的数据。D5，D4，D3来自扫描计数器，是按下键的行列编码，而D2，D1，D0来自行/列计数器，它们是根据回复信号而确定的行/列编码。在传感器开关状态矩阵方式中，回复线的内容在TL/STB线的脉冲上升沿被