【毕业设计】超声波油量测量仪的设计

编号本科生毕业设计超声波油量测量仪的设计DESIGNOFSUPERSONICOILINSTRUMENTATIONQUANTITYINSTRUMENT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ABSTRACTTHEDESIGNFORTHEGASSTATIONFUELTANKSINTHEMEASUREMENTPROBLEM,INDEPTHDISCUSSIONOFTHEUSEOFULTRASOUNDASASIGNALSOURCETOCARRYOUTTHEFEASIBILITYOFLIQUIDLEVELMEASUREMENTANDTHESUPERIORITYOFTHEERRORSDISCUSSEDAVARIETYOFREASONS,THECORRESPONDINGSOLUTIONAT89C52SINGLECHIPDESIGNSTOTHESMALLESTSYSTEMTOTHECORE,THEPRINCIPLEOFULTRASONICDISTANCEMEASUREMENTTHEORETICALBASISFORTHEUSEOFULTRASOUNDONOILASACONTROLSIGNALFORAUTOMATICDETECTIONANDDATAPROCESSING,TOREDUCETHEMEASUREMENTINTHEPROCESSOFHUMANINTERVENTION,PROVIDEDWITHADISPLAY,KEYBOARDINTERFACEOFMANMACHINECONVERSATIONANDMAKEITEASIERFOROPERATORSOFREALTIMEMONITORINGOFOILTHROUGHTHEMICROPRINTERORPCCOMMUNICATIONSUCHASPRINT,SAVETHEDATA,TOBETTERTHESITUATIONONTHEOILSTORAGEMANAGEMENTULTRASONICMEASUREMENTOFTHEFUEL,LOWCOST,SIMPLE,POWERFUL,ANDTRADITIONALMETHODSOFLIQUIDLEVELMEASUREMENT,WITHNONCONTACT,HIGHSPEED,HIGHPRECISION,AUTOMATICCONTROL,RELIABLEANDLOWCOSTADVANTAGESKEYWORDSULTRASONICLIQUIDLEVELMEASUREMENTSINGLECHIPNONCONTACT目录第一章引言111国、内外液位计量仪表的现状1111国外液位计量仪表的现状1112国内储罐液位计量仪表的现状212超声波油量测量仪的研究目的及意义213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421超声波传感器工作原理4211超声波传感器基本结构及工作原理4212超声波发射器5213超声波接收器6214T/R40超声波传感器722超声波油量测量仪测量原理7221测量原理7222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1331总体设计思想1332工作过程14第四章系统结构及硬件设计1541超声波油量测量仪的硬件设计思想1542AT89C52单片机最小系统1543超声波发射电路设计16431超声波发射电路功能16432超声波发射电路原理图1644超声波接收电路17441超声波接收电路功能17442超声波接收电路原理图18458279接口电路与键盘显示电路194518279接口电路设计1946基于DS18B20的温度测量电路21461温度传感器DS18B20简介21462DS18B20与单片机的典型接口设计2247与PC机通讯接口的设计22第五章软件设计2351软件总体设计23511软件设计总体框图23512软件程序中各部分模块介绍2352超声波驱动与数据处理模块24521超声波发射程序24522外部中断0的中断服务程序2553功能模块26531键盘与显示子程序26532通讯子程序27第六章抗干扰处理3061硬件抗干扰措施3062软件抗干扰措施30结论32参考文献33致谢34第一章引言11国、内外液位计量仪表的现状111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410MM。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01MM。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07MM。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。112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。MET1型磁效应液位仪采用磁效应原理,精度为005,1995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RS485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。12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10001000003M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。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。13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。第二章超声波油量测量仪测量原理21超声波传感器工作原理211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。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21所示1。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22所示来分析共振频率附近的超声波换能器的特性图21超声波传感器内部结构C1C0L1R0Z1图22超声波传感器等效电路图换能器的能量用MQ，电能用E表示。由图22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Z10和有载Z1R1时的Q值分别为0，则有0101RCRLM2110101L22EQCR230124超声波换能器的工作效率为01R25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。212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。按照应用领域的不同，超声波束可以是强方向性的、扇状的、无方向的形状，还有些发射器附带有调整层，以便发射器与媒质的音内阻抗相匹配。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。把具有振动材料与传播介质材料的声阻中间值的匹配板置于振子前边，可使振子的机械/音响变换效率达到最大，尤其是在空中放射超声波的情况下，这种匹配更加有效。213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，金属涂敷膜与金属电极间隙发生变化，从而引起电容变化，它的优点是与空气的声阻抗匹配良好，频带宽。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。结构上有采用PVDF膜作为受音体、也有采用钦酸、锆酸铅系列陶瓷以板状或圆桶状受音体的形式结构。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。声光效应构成的超声波传感器有利用光纤的波导部分的形变敏感构成的结构，也有利用对弹性体表面或内部弹性波束的衍射晶格作用形成的结构。214T/R40超声波传感器本仪器所采用的TR4016型超声波传感器的声压电平和灵敏度特性曲线如图23、图24所示。（DB）声压电平图23声压电平特性曲线灵敏度DB/V/UBAR图24灵敏度特性曲线由这些特性曲线图可知,T/R40超声波传感器在输入频率为40KHZ时各种特性都呈出最佳状态，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。22超声波油量测量仪测量原理221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。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。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。我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的高度，进一步计算出油的体积和重量。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。图25超声波测量原理图如图25所示，要测量储油罐内油的高度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2UHH29由下式计算测量误差/UTH210式中，H为H的测量误差，为渡越时间的测量误差，U为声速的测量误差。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，在发射脉冲串的同时单片机定时器开始记数，在超声波接收器接收到反射信号时，单片机停止计数。单片机定时器所计的时间，就是渡越时间，代入式29中，就可以算出油量。由于超声波是一种声波，其声速与温度有关，3314506T,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，否则会产生比较大的误差。222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，与传统的液位计量仪表相比，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。由于液位计量仪一般安装在表井的盖上，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0UXTCOSP211式中，0P为声压振幅，A，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，U为介质中声速，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22，23知，在空气里130B2S/CM，当振动的声波频率F40KHZ，代入式23,可得4CM,沿着波的传播方向10米处，X10M。0/A1032,XE320726就是说声波传播出去10M后，振幅衰减了约1/4。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，也叫声强记作I。2CPI212C为声特性阻抗，记作Z。由211212式知，I2A，那么声波传播出去10M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26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0I的一部分进入介质II，透射波能量为TI,另一部分被界面反射，仍在I中传播，其能量为（IR）。在空气与液体如汽油的界面上，计算R,T,R,T。空气Z空气空气C129KG3MX340M1S439KG12S汽油Z汽油汽油C071X3KGMX1400M1S980X3KG12S波束从空气中入射到界面，Z空气，2Z汽油R21/2Z1980X3439/980X34390999R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999。图26波束垂直入射到液面的反射波和透射波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。R2R0998说明反射波与入射波的强度之比为998。T4310984/314392000179说明透射波与入射波的强度之比为02。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了，以后的传播过程可以不考虑3。图27波束斜入射到液面示意图图28波束斜入射到井壁示意图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。波的反射遵循反射定律，入射角为，反射角为，有USINI213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，所以，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。第三章超声波油量测量仪的总体设计31总体设计思想超声波油量测量仪是根据“回波测距”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，并能显示出有关数据，还能与上位机进行通讯便于监控和管理。超声波油量测量仪的总体设计框图如图31所示。超声波发射电路超声波接受电路单片机系统8279接口电路键盘显示温度检控与上位机通讯接口图31超声波油量测量仪的总体框架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AT89C52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。32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，首先由单片机发出40KHZ的脉冲串，每20个脉冲为一串，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波。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。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。第四章系统结构及硬件设计41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AT89C52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189C52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的显示；与上位机通讯和数据的输出。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驱动,超声波发射传感器。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3X4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。42AT89C52单片机最小系统AT89C52单片机最小系统由AT89C52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。AT89C52是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT89C52指令系统和引脚完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C52内部有256个字节的RAM，地址范围是00HFFH，但实际提供给用户使用的只有128个字节00H7FH，另128个字节80HFFH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4。43超声波发射电路设计431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SUT/2即可算出超声波传感器到障碍物之间的距离,其中U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AT98C52的P10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。432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P10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41所示由第二章的讨论可以知道，油量测量仪所用的T/R4016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P10管脚输出40KHZ的脉冲信号给发射电路。由于单片机P10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P10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15欧姆，所以在12V电源的接入端，加了一个15欧姆的电阻用来限制电流，这样不至于使电源部分的元件过热。VCCR6150D112VD212VQ3RF64012J5T4016T1TRANS1P10图41超声波发射电路44超声波接收电路441超声波接收电路功能如图42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AT89C52外部中断0的中断信号使AT89C52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。442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42所示，根据所用的T/R4016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AT89C52的P16管脚，当P10管脚发脉冲时，将P16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P16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。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。可用单电源供电如十5V，也可用双电源供电如士12V。D触发器的D端接AT89C52的P12管脚平时置成高电平，当AT89C52发送完驱动脉冲串以后，在允许外部中断0中断的同时，将P12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AT89C52的外部中断0的中断信号。这样回波信号最终转换成了AT89C52的中断信号，实现了硬件设计思想。1213U11A406612J6R4016R510KR6100KR8100KR710KR912KR1020K3261574UA7413261574UA74123765184LM311CLK3D2SD4CD1Q5Q6U2A74LS7412V12V12V12V12V12V5V5V5VC17100U/25VW110KC18100U/25VP12INT0P16图42超声波接收电路原理图458279接口电路与键盘显示电路4518279接口电路设计根据硬件设计思想，在超声波油量测量仪测量之前需要设定一些参数，要有一些控制按钮来执行不同操作，同时有关数据需要显示出来，即需要有显示器和一个键盘阵列来实现这种人机对话的功能。8279接口电路原理图如图43所示。考虑到各种操作与数据输入应该是相互独立的，为了节省硬件成本，本系统设计了一个3X4的键盘阵列。通过软件设计来实现键盘复用的功能，即在不同时间和不同状态下，键盘阵列中的每个键都代表不同的含义，这样做虽然增大了软件上的开销，但是节约了硬件的成本。对于数据的显示，由于测量的距离从几米到十几米不等，因此只需要保留两位小数就可以了，所以本油量测量仪只用了4位七段码显示器。虽然8279芯片是专门用来管理键盘和显示器的，但是它的驱动能力有限尤其是在为显示器提供驱动时，所以还需要在它的输出端加上驱动芯片，以提高它的OUTA027OUTB031OUTA126OUTB130OUTA225OUTB229OUTA324OUTB328DB012BD23DB113DB214SL032DB315SL133DB416SL234DB517SL335DB618DB719RL038RL139IRQ4RL21RL32CS22RL45RD10RL56WR11RL67A021RL78CLK3SHIFT36RESET9CNTL/S37U282791A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U374LS240Y01Y12Y23Y345678161514131211109S0S1S2S3OUTGNDINININININININOUTOUTOUTCOMOUTOUTOUTMC141312U7A74LS04A0A1AA3D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRP20ALERESETB0B1B2B3Y0Y1Y2Y3RL0RL1RL2RL3B0B1B2B3A0AA2A3ABCDEFGDPY0Y1Y2RL0RL1RL2RL3U4INT1K09SWPBK10SWPBK11SWPBK12SWPBK05SWPBK06SWPBK07SWPBK08SWPBK01SWPBK02SWPBK03SWPBK04SWPBY0Y1Y2RL0RL1RL2RL3ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPDS3ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPDS2ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPDS1ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPDS0GNDGNDGNDGNDABCDEFGDPABCDEFGDPABCDEFGDPABCDEFGDPS3S2S1S0图438279接口电路原理图驱动带载能力，保证键盘和显示器的正常工作。在本系统中采用芯片74LS240作为段选驱动，用MC1413作为位选驱动，使显示器得到足够的电流。为了不占用CPU太多机时，设定8279工作于中断方式。这时由于8279的中断请求线仅Q是高电平有效，即需要中断时输出高电平，而AT89C52的外部中断口是低电平有效，所以只需在它们之间加入一个反向器74LS04就行了。46基于DS18B20的温度测量电路461温度传感器DS18B20简介DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3个引脚小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达00625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路16。图44DS18B20引脚图DS18B20的管脚排列如图44所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电地VDD为外接供电电源输入端。462DS18B20与单片机的典型接口设计图45DS18B20的典型连接图45中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V55V电源供电。将DS18B20应用于温度补偿中，所测温度在100以内。47与PC机通讯接口的设计计算机的串行口通常采用一个25针或9针的D型连接器，在本设计中选用了9针的D型连接器，要进行通常的串行通信，只需其中的三根线就可以了，就是2RXD,3TXD,5GND三根线，分别是数据输入，数据输出，地线。由于单片机提供的电平是TTL的，而计算机提供的是RS232电平，要实现单片机与计算机的通信，必须对它们的电平进行转换，可用MAX232芯片来实现13141378451621112109615C1C1T2OUTR2INVCCC2C2VR1INR2OUTT1OUTT1INR2INR1OUTVGNDMAX232C3105C5105C4105C7105C61055VTXDRXD162738495J1DB9图46串行通讯第五章软件设计51软件总体设计511软件设计总体框图软件设计采用C51编程，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，然后输入有关参数，接着发射脉冲串，以及计算油的深度、体积等数据，最后判断是否有键按下，根据所按一下的键，单片机将调用不同的功能模块完成不同功能，比如打印、通讯等。其结构框图如图51所示开始系统初始化温度补偿参数输入发射脉冲计算距离数据显示其它数据操作通讯图51软件设计总体框图512软件程序中各部分模块介绍软件部分共分两大模块，一是超声波驱动与数据处理模块，二是功能模块。按照油量测量仪的需要，超声波驱动与数据处理模块的主要任务是用单片机产生40KHZ的脉冲串，以驱动超声波换能器发射超声波，同时采用计数器计时当超声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,再利用公式SUT/2其中U为声速，可求出待测距离S，由此算出油的深度和体积，并及时地显示出来。功能模块的主要任务是完成一些参数的预置，以及根据用户的需要计算出各种所需的数据，并通过显示器显示或通过微型打印机打印出来，而且能与PC机进行通讯以保存这些数。52超声波驱动与数据处理模块超声波驱动与数据处理模块的流程图如图52所示。T0定时12US,T1计算发20脉冲关定时器T0P120允许中断延时INT0中断T1停止计时计算传输时间计算油的深度取平均值恢复T0定时,T1计数中断返回测完5次NYNYNY驱动模块图52驱动模块程序流程图521超声波发射程序由第四章硬件设计部分的介绍可知，T/R4016型超声波换能器在输入脉冲为40KHZ左右时，各种性能都能达到最佳，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，本油量测量仪采用AT89C52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25US，由于采用的晶振为12MHZ，即每执行一条指令需用时1US，所以定时器T0的定时时间只能取12US换算成定时常数为0F4，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T0可采用常数自动重新装入的方式2进行工作，这样能减少T0中断服务程序执行的时间。脉冲序列是通过P10管脚输出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管脚发出的应该是脉冲串每20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，同时将P32管脚置成低电平，等待回波的到来14。522外部中断0的中断服务程序在启动T0发射脉冲的同时，AT89C52的内部计数器T1开始计数。T1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D触发器的Q端。当接收电路接收到反射的回波后，产生外部中断信号，引起AT89C52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产生中断后立即关闭计数器T1，并读出超声波的传输时间；利用传输时间和声速计算出油的深度和体积；若已经计算了五次，则取平均值存入指定单元并送去显示。工作过程是首先让T1停止计时，将P32管脚置成高电平，禁止外部中断0中断，然后根据T1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T0定时，T1重新计数，跳出外部中断处理子程序，等待下次外部中断。为了减小误差，使测量更加准确，每测出5个数据后取一次算术平均，再存储并送去显示。53功能模块该检测计为了方便用户的使用，提供了键盘输入、显示、和与上位机通讯等功能。功能模块的流程图如图53所示。因为参数的输入、数据的显示和打印以及与上位机通讯等功能都要通过键盘来控制，所以，以功能键子程序为主体，通过功能键子程序来调用其它功能模块。功能键子程序取键值何键按下参数输入模块数据显示模块通讯模块中断返回456图53功能键子程序流程图531键盘与显示子程序根据需要，键盘的工作方式是译码扫描键盘，双键锁定方式；显示器在系统等待输入参数时应工作在“右入口”方式，此时键盘/显示方式命令字数是11H,而显示器在显示数据是应工作在“左入口”方式，此时键盘/显示方式命令字是01H。CPU对8279的监视采用中断方式。油量测量仪设置3号键除表示数值3外，还用于油量的深度和体积显示的切换键。在启动后默认显示油量深度，当用户需要了解油量的体积时，可按3号键来显示体积，如果需要恢复油量深度的显示，只需再按一次3号键。为了实现这种切换，在软件设计中需要设置一个标志位，设22H为该标志位，当22H0时，显示油量深度,当22H1时，显示油量体积。通过体积指针查找最近数据通过深度指针查找最近数据刷新显示缓冲区反回2H1NY数据显示模块图54数据显示模块流程532通讯子程序通讯子程序的流程图如图55所示。串行口初始化发送请求码上位机应答否发送数据个数发送数据接受正确否返回YNYN通讯子程序图55通讯子程序流程图为了便于数据的存储和对油量的管理，需要超声波油量测量仪与PC机进行通讯，将有关数据存入PC机中，操作人员可以通过这些数据清楚地了解当前的油量情况，以及最近一段时间的进、出油情况。目前本设计设定的是在超声波油量测量仪测完油量以后再进行通讯，这样就可以用定时器T1来产生通讯时所需的波特率了。本设计设定波特率为1200，系统所用的晶振频率为12MHZ,T1工作于工作方式2，由波特率的计算公式56323MODMODXFOSCSS溢出率）定时器波特率可求出定时器1的初值为X230E6H。本设计将串行口的工作方式定义为方式1，这时它是一个8位的异步串行通讯口，TXD为数据输出线，RXD为数据输入线。由于此时单片机比较空闲，所以可以采用查询方式进行通讯。在发送数据之前，先发一个字节的请求码0FFH,接收到上位机的应答后，向上位机发送欲发送数据的个数，最后发送数据。上位机接收完数据后，要向油量测量仪发送一个确认码，如果接收的数据个数不对，则重新发送若正确，则终止通讯。第六章抗干扰处理干扰在大多数情况下都不会造成计算机硬件的损坏，主要是对软件运行造成不良的影响。其主要特征是指令码或数据码的个别位受到干扰而发生跳变，结果可能将数据码当成指令码，而把指令码当成数据码来执行。这种盲目执行程序的结果，一方面会破坏RAM存储器中的数据，另一方面可能由于某些偶然的原因而进入死循环，使整个系统失控。因此，需要从硬件和软件两方面采取相应的抗干扰措施，从而达到消除干扰源，抑制藕合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。61硬件抗干扰措施1、去耦滤波技术在直流电源回路中，负载的变化会引起电源干扰。特别在数字电路中，当电路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声。利用电容、电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的干扰。为了去耦滤波，印刷电路板的电源与地之间并接了去耦电容，即100UF电解电容可以去掉低频干扰成分,01UF电容可以去掉高频干扰部分，依此可消除电源线与地线中的脉冲电流干扰。为保护芯片，在每个芯片的电源与地之间也并接了01UF的去耦电容。2、硬件“看门狗”电路程序在运行过程中会因为受到干扰导致失控，引起程序乱飞，或程序陷入“死循环”，此时最直接的抗干扰方法是采用硬件“看门狗”电路。通过P13给出复位脉冲可使系统复位，程序重新启动运行。本系统采用含有芯片MAX813的看门狗电路，当系统由于