储油罐超声波油量液位检测仪毕业论文

1、摘摘 要要 课题针对储油罐油量液位检测的实际问题，开发了一种使用单片机的超声波液 位测量仪。介绍了液位测量仪的现状及发展趋势，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，以及产生误差的各种原因，并提出了相应的解决 办法。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 atmel 公司的 at89c51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距原理的基础上，指出了设计测距系统 的思路和所需考虑的问题。 超声波液位测量仪利用超声波对油量液位进行自动检测和数据处理，给出了以 单片机 at89c51 为核心的低成本、高精度、微型化数字显示的硬件电路和软件设计 方法。该系统硬件电路设计包

2、含了超声波发射电路、接收电路、温度补偿电路和相 应的控制电路。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、功能模块两大类。这套系统软硬件设计合理、工作稳定、性能 良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到设 计的要求。 关键词：单片机；超声波；液位测量 research on oil tank level measurement system abstract this research on oil tank level measure system for the practical problems, developed a

3、single chip using ultrasonic wave level measurement. liquid level measuring instrument introduced status and development trends, in-depth discussion of the use of ultrasound as the signal source level measurement feasibility and superiority, and various reasons of generating errors, and put forward

4、the corresponding of the solution. this subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in details, and the performance and characteristic of one-chip computer at89c51 of atmel company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systema

5、tic thinking and questions needed to consider that have pointed out. ultrasonic level meter using ultrasonic fuel level detection make automatic detection and data processing. at the core of the design using at89c51 low-cost, high accuracy, micro figures show that the ultrasonic range finder hardwar

6、e and software design methods. the hardware circuit includes ultrasonic transmitter circuit, receiver circuit, temperature compensation circuit and the corresponding control circuit. software design, we design a modular program, the software is divided into ultrasonic drive and data processing modul

7、es, function modules into two categories. this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , easy to accomplish real-time control ,and it can reach industrys practical demand in measuring the precision. keywords: single

8、chip microcomputer; ultrasonic wave; liquid level measurement 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

9、教师签名： 日期： 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： 目目 录录 摘 要 .i abstract.ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 液位测量仪的现状.1 1.1.1 液位测量仪的现状.1 1.1.2 储罐液位测量仪表的现状.3 1.2 超声波油量测量仪的研究目的及意义.

10、3 1.3 超声波油量测量仪的研究内容.4 第 2 章 超声波油量测量仪测量原理.5 2.1 概 述.5 2.2 超声波传感器工作原理.5 2.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理.5 2.2.2 超声波传感器的检测方式.7 2.2.3 t/r40 超声波传感器.8 2.3 超声波油量测量仪测量原理.10 2.3.1 测量原理.10 2.3.2 超声波测距的理论分析.11 第 3 章 超声波油量测量仪的总体设计及硬件设计.15 3.1 超声波油量测量仪的总体设计.15 3.1.1 总体设计思想.15 3.1.2 工作过程.15 3.2 超声波油量测量仪的硬件设计思想.16 3.3 at89c

11、51 单片机最小系统 .16 3.4 超声波发射电路设计.19 3.4.1 超声波发射电路功能.19 3.4.2 超声波发射电路原理图.20 3.5 超声波接收电路.21 3.5.1 超声波接收电路功能.21 3.5.2 超声波接收电路原理图.21 3.6 8279 接口电路与键盘显示电路 .22 3.6.1 可编程键盘/显示器接口芯片 8279 简介.22 3.6.2 8279 接口电路设计.24 3.6.3 mc1413 介绍.25 3.7 蜂鸣音报警接口.25 第 4 章 软件设计.27 4.1 软件总体设计.27 4.1.1 软件设计总体框图.27 4.1.2 软件程序中各部分模块介绍

12、.27 4.2 超声波驱动与数据处理模块.28 4.2.1 超声波发射程序.29 4.2.2 外部中断 0 的中断服务程序.29 4.3 功能模块.29 4.4 键盘与显示子程序.30 第 5 章 误差分析.33 5.1 声速随温度变化的情况分析以及补偿方法.33 5.2 渡越时间对测量结果的影响及减小误差的办法.34 结束语.35 致 谢.36 参考文献.37 附 录.39 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 液位测量仪的现状液位测量仪的现状 1.1.1 液位测量仪的现状液位测量仪的现状 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

13、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

14、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

15、，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

16、，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

17、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

18、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

19、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

20、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 2m

21、m。 1.2 超声波油量测量仪的研究目的及意义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

22、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

23、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

24、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

25、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。 第第 2 章章 超声波油量测量仪测量原理超声波油量测量仪测量原理 2.1 概概 述述 在弹性媒质中，如果

26、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

27、动而传播的，波动方程描 述方法与电磁波的是类似的 (2-1)cos()(kxtxaa (2-2) ax eaxa 0 )( 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) 2 bfa 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=3

28、0khz，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

29、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

30、、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

31、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。 共振板 压电晶体 电极板 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

32、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： r0 c1 c0 l1 . . z1 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 qm

33、0、qm， 则有： （2-4） 1 0 0100 1 0 m l q rcr （2-5） 10 011001 1 () m l q rrcrr （2-6） 0000e qcr （2-7） 0001 () e qcrr 超声波换能的工作效率为： （2-8） 1 10 r rr 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 超声波传感器的超声波传感器的检测方式检测方式

34、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

35、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

36、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 例：t40-16外壳直径（mm） 中心频率 t：发射，r：接收 (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/

37、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超声波油量测量仪测量原理 2.3.1 测量原理测量原理 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

38、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。 接收器发射器 井盖 井壁 l h h 油 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

39、，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)2/uthh 由下式计算测量误差 (2-10)2/2/ utt tuu 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 ( 2

40、0时)，忽略声速误差，则测 量时间的误差 su ut 00006 . 0 344/01 . 0 2/ 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

41、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

42、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，

43、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)/cos( 0 xpp t 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

44、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： 726 . 0 / 32 . 0 10032 . 0 0 eeaa 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)/( 2 cpi 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

45、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) 0tr iii 声压反射系数 (2-14) 02121 /()/() r rppzzzz 声压透射系数 (2-15) 0221 /2/() t tppzzz 声强反射系数 (2-16) 222 02121 /() /() r riirzzzz 声强透射系数 (2-17) 2222 02011 212 /(/2

46、) /(/2 )4/() tt tiipzpzz zzz 在空气与液体（如汽油）的界面上，计算 r、t、r、t 3121 1.29340439zckgmmskgm s 空气空气空气 331321 0.71 101400980 10zckgmmskgm s 汽油汽油汽油 波束从空气中入射到界面， 12 zzzz 空气汽油 ， 333 2121 ()/()(980 10439)/(980 10)0.999rzzzzkgm 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%。 入射波束 透射波 反射波 介质i（空气） 介质ii（油） 图 2-8 波束垂直入射到液面的反射波和

47、投射波 999 . 1 )43910980/(109802)/(2 33 122 zzzt 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% 998 . 0 2 rr 说明反射波与入射波的强度之比为 99.8%。 00179 . 0 )43910980/(439109804 233 t 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

48、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)uu/sin/sin 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

49、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 第第 3 章章 超声波油量测量仪的总体设计超声波油量测量仪的总体设计及硬件设计及硬件设计 3.1 超声波油量测量仪的总体设计超声波油量测量仪的总体设计 3.1.1 总体设计思想总体设计思想 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

50、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。 与上位机通讯接口 单片机 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 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

51、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

52、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

53、管理。 3.2 超声波油量测量仪的硬件设计思想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

54、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 单片机最小系统单片机最小系统 at89c51

55、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

56、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

57、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

58、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

59、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

60、 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) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18