基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目：题目： 基于多传感器融合的复杂边界 液面高度测量装置的研究题目：基于多传感器融合的复杂边界 液面高度测量装置的研究 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 摘要在工业测距场合中，由于工作要求和复杂环境的限制，常常采用非接触测距的方法，非接触式测距方式可以完成许多接触式测距手段无法完成的检测任务。如化工、石油等企业总是有许多贮放液体的储槽、容器需要测定液位。液位反映储量，准确的液位测量是实现生产与过程控制的重要参数。本文采用的是超声波测距的原理，超声波测

2、距技术是近年来出现的测距新技术, 是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。本文主要讨论了以下几个方面：1、详细介绍了超声波测距的相关原理。2、探讨了影响超声波测距精度的因素及一些解决办法。3、基于 STC89C52 单片机的液面测距系统的设计，采用了三点测量液位的方法，经过多次测量，减小随机误差。关键词：液面测距；超声波测距；HC-SR04；超声波传感器；DS18B20基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究BASED ON MULTI-SENSOR

3、FUSION OF COMPLEX BOUNDARY LIQUID SURFACEHEIGHT MEASUREMENT DEVICE RESEARCHABSTRACTIn the situation of industrial distance measurement, because of the job requirements and complex environmental restrictions, it is often used the non-contact method to measure distance.Non-contact distance measurement

4、 can complete many tasks that contact measure- ment cant complete ,Such as to measure the liquid level of store tanks and liquid containers that often used in chemical and petroleum fileds.Accurate result of level measurement is the most important parameter to achieve production and process control.

5、In this paper, measurement of distance is based on the principle of ultrasonic rangeing.Ultrasonic ranging technology is a non-contact detection method that new technology that appear in recent years.Compared with other methods,such as electromagnetic or optical method, it can avoid being influenced

6、 by the light or color of the tested object.When be measured in severe conditions ,for example,in dark,dusty, electromagnetic interference and toxic,ultrasonic ranging have a certain ability to adapt to the environment.This paper mainly discusses the following respects:1, Some related theory about u

7、ltrasonic ranging. .2, The factors of influence the accuracy and solutions of ultrasonic ranging. .3,Design of. liquid surface distance measuring system that based on the STC89C52 single chip microcomputer. Key words:Liquid surface ranging ;ultrasonic ranging ;HC-SR04 ultrasonic sensor DS18B20基于多传感器

8、融合的复杂边界液面高度测量装置的研究目 录1 1 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 论文的主要研究内容 .32 2 系统总体设计 .52.1 系统设计思想.52.2 超声波的传播.62.3 超声波测距原理 .72.4 影响超声波测量精度的因素 .82.4.1 空气温度因素 .82.4.2 液位波动和液面表面杂质的因素 .92.4.3 影响超声波测量计时准确性的因素 .92.5 减小误差的方案 .112.5.1 基于多传感器的多点测量 .112.5.2 回波信号放大整形 .122.5.3 回波信号前沿分析法 .122.5.4 回波信号的包络检测法 .133

9、 3 系统的硬件设计 .153.1 系统的总体方案.153.2 硬件设计 .153.2.1 STC89C52RC 单片机.153.2.2 稳压电路 .183.2.3 超声波探头组 .183.2.4 温度校正模块 .203.2.5 显示模块 .25基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究4 系统的软件设计 .264.1 系统的软件总体设计 .264.2 超声波发射与接收控制 .274.3 温度矫正模块 .284.4 显示模块 .285 系统调试及结果分析 .305.1 系统调试结果与分析 .305.2 系统误差分析 .325.2.1 温度因素.325.2.2 定时器因素 .325.2.3

10、 单片机运算精度的因素 .325.3 系统的改进和总结 .33参考文献 .35致谢 .37附录 .38附录 A 源程序.38附录 B 电路原理图 .47附件 1 设计（论文）开题报告.47附件 2 文献翻译.47基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 0 页 共 55 页1 绪论1.1 课题背景及意义在许多工业测距的场合中，由于复杂环境、工作要求等条件的限制，往往需要采用非接触式的测量方法，非接触式测距方法可以完成许多用接触式测距手段无法完成的检测任务。在石油、化工等企业中，多采用储槽、容器存储液体产品，这就需要实时监测液位变化；采沙、水泥工厂需要实时监控容器中物位高度。所以，精确

11、的液位测量结果，是过程控制和实现生产的重要指标，实时测量和记录液位十分重要。传统的液位测量主要由人工操作，随着一些行业的发展，对液位的测量精度和范围提出了更高的要求，如今，各种自动化测量仪表被广泛应用于各行业的液位测量中，如电导式、电容式、压力式、超声波式和雷达式等液位测量仪表，其测量水平已达到较高的程度1。1.2 国内外研究现状国内外对液面测量的应用，主要集中在化工领域，重要方法包括：电容式液位测量、超声波液位测量、激光液位测量、雷达液位测量、浮子式液位测量、磁致伸缩液位测量、光纤液位测量等，各种方法如图 1-1 如示。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 1 页 共 55

12、页图 1-1 各种液位测量的原理图目前，国内外研究出的液面测量仪器逐渐向着智能化、非接触测量、小型化的方向发展。在液位测量向智能化发展，同时，一些基于新的测量原理、新型电子部件构成的小型现场液位开关也大量应用在测量仪器中，使得液位测量仪表的发展呈现小型化的趋势。较典型的液位开关有三种：一是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：二是当超声波穿透空气及液体时，利用衰减率的显著差别来检测液面的超声波液位开关；三是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2。 超声波测距技术是一种新的测距技

13、术。相较于其它方法，如电磁的或光学的手段，超声波不受光线、被测对象颜色等影响，在被测物处于有灰尘、电磁干扰、黑暗、烟雾、有毒等恶劣的环境下时，超声波测距仪器仍有一定的适应能力。因此超声波技术在物体识别、机械手控制、液位测量、车辆自动导航等方面有着广泛应用。特别是气介式超声波测距方法，由于在空气中超声波波速较慢，其回波信号中包含的结构信息很容易被检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法而言要高一点；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。但在实际应用中，超声波液位测量也有很多困难需要克服，首先，超声波在空气中播的过程中会发生或多或少的衰减，并且衰减随着距离的增大而增

14、大；其次，测量距离不同，接收到的回波信号的强度要求也会发生相应的变化；另外，超声波传感器普遍采用压电陶瓷片工艺，在工作过程中，多少会因为转换惯性的原因而产生延时、滞后等现象，引起测量误差；周围的环境因素，例如大气温度、湿度的改变也会对测量精度产生影响。所以，如何减小测量误差是当前国内外研究人员对超声波测距研究的一个重要课题。近十年来，国内科研人员在超声波新型超声波换能器的研发、回波信号的处理方法等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。童峰、许肖梅等3提出了基于最小均方自适应时延估计( LMSTDE) 的算

15、法。该算法减小了信道由于斜向入射对输出信号的影响，消除了实际换能器与理想换能器之间的频率特性差，使整个系统保持平坦的频率响应，并且输出均方误差最小。赵海鸣等4提出通过整形放大确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 1 页 共 47 页弱变化而造成的测量时间的误差，从而提高测量精度。付华等5提出利用 Elman 反馈神经网络逼近真实函数的方法，提高了避障系统的测量精确度。Elman 网络隐层采用了“tansig”激活函数，输出层选用了“pureline”激活函数，从而只要有足够的隐层神经元个数，网络就能够以任意精度逼近任意函数。

16、该方法在对超声波测距传感器进行温度、湿度补偿后，其测量精度提高了两个数量级。陈先中等6基于能量重心校正法和最小二乘法的原理，提出了一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，通过曲线拟合搜索回波信号能量集中点-椭圆中心点，进而找到回波信号的峰值点。与包络线法和三次多项式法相比，此算法相对误差稳定在 0. 2%，适用于高精度工业测量。光纤液面高度测量技术是最近十年出现的一种新技术，从目前已知的国内外已公开的光纤液位测量技术来看，其所采用的具体方法各不相同。如利用荧光纤维特性的光纤液位传感、遮光式光纤液位传感、泄漏模式光纤液位传感、压力式光纤传感器测量液位、磁式光纤液位传感、反射式光纤传感器测量液位7。

17、光纤光栅是最近几年迅速发展的光纤无源器件之一，由于其具有许多独特的优点，使得它成为目前有着很好发展前景的光纤无源器件之一。当像温度、应变和压力等周围环境发生变化时，光纤光栅的栅距和折射率也会发生相应的变化，从而使光纤光栅的透射谱和反射谱发生变化。因而可以通过检测光纤光栅透射谱、反射谱的变化就可以获得相应的温度、应变或压力的信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理。由于光纤光栅同时对温度、应变和压力都很敏感，因此，如何在变化中区分温度、应变和压力信号是光纤光栅传感器在正式投入实际应用之前必须解决的一个问题1213。虽然光纤光栅在传感应用中有一系列的优点，但也有其不足之处。目前光纤光栅

18、也仅限于实验室的实验研究，因此在工业上的液面高度测量并不采用此种方法。光纤光栅在实际应用中也存在这一些难题，主要包括：光检测器波长分辨率的提高、纤光栅的封装、波长微小位移的检测、宽光谱高功率光源的获得、光纤光栅的可靠性、交叉敏感的消除等7。1.3 论文的主要研究内容在工业测距场合中，由于工作要求和复杂环境的限制，常常采用非接触测距的方法，非接触式测距进行测量可以完成许多用接触式测距手段无法完成的检测任务。 如化工、石油等企业总是有许多贮放液体的储槽、容器需要测定液位。液位反映储量，准确的液位测量是实现生产与过程控制的重要参数。本文基于超声波测距的原理，设计了一种非接触式的检测方式。在本文中，重

19、点基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 2 页 共 47 页就以下几个方面重点展开讨论：1、详细介绍了超声波测距的相关理论原理。2、重点讨论了影响超声波测距精度的因素及一些最新的理论上的解决办法。3、基于 STC89C52 单片机的液面测距系统的设计，采用 STC89C52 主控芯片、DS18B20 温度传感器和 HC-SR04 超声波模块实现。在第二章中介绍了系统的总体设计、超声波测距的原理及测距过程中导致误差的因素和一些解决办法；在第三章中详细介绍了各部分硬件电路的实现办法以及一些芯片的介绍；第四章介绍了系统软件的设计思路；第五章是是系统的调试过程以及调试结果和结论。基于多传

20、感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 3 页 共 47 页2 系统总体设计在复杂的液位边界条件下，液位表面通常不平整，此时，若采用单个传感器测距，测量结果的误差较大，所以在精度要求高的场合，需要多个传感器测量多组数据，经过一定算法，得到更加与实际液位高度更接近的结果。2.1 系统设计思想按本课题要求，设计在液位的上方固定多个测距传感器，如图 2-1 所示。在图 2-1中，若只是单点测距，传感器按在 A、B、C 三点的任一点，则测距显示正常，但是在D 点早已超出警戒要求。所以，本设计中，设计多个测距传感器位于液位上方，测量多组数据，最后按照一定的算法，实现所测距离的最佳精确，所测的实时液位

21、高度满足。其中，S1、S2、Sn为 n 点测量的距离，f 是算法函数。),.,(321nSSSSfH 图 2-1 多点液位测量示意图现在具体系统设计的关键就在于选择每点测距方案，以及选择所测多点数据的融合算法，而提高每点测距的精确度又是提高系统最终测量结果的关键。对比所有可能的液位测量方案，本文在每一点测距方案上选择超声波测距技术，采用三点法测距，在液位上方选用三个超声波探头，每组探头测量若干组数据，然后基于一定算法处理结果。超声波测距技术现在也越来越成熟，并且超声波测距不受光线、被测对象颜色等因素的影响，对于被测物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境基于多传感器融合的复杂边界

22、液面高度测量装置的研究第 4 页 共 47 页下具有一定的适应能力和很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠,技术成熟，价格便宜等特点，对于本科生而言，更加易实现。2.2 超声波的传播一般情况下，人耳能分辨的声波频率在 20HZ20KHZ 之间，频率大于 20KHZ 或小于 20HZ 的声波是听不见的。因此，我们将频率高于 20KHZ 的声波称为超声波。在弹性介质中，超声波的频率和周期 T 一般只和声源的振动频率和周期有关，所以超声波的频率和周期是与介质本身特性无关的量。超声波的波长是指在某介质中传播波形的波峰与波峰(或波谷与波谷)两者之间

23、的距离，统称为一个波长。波长与频率成反比，与速度成正比，关系式如(2-l)所示。 (2-1)fc 式 2-1 中 为波长;C 为声波传播速度;f 为声波的频率。 超声波的传播速度 C 和传播波形，取决于传播介质的弹性常数及介质密度。超声波属于弹性机械波的范围，在相同的传播媒介里(大气条件下)，传播的速度相同，在相当大的频率范围内，声速不会随频率变化而变化，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，超声波是借助于传播介质的分子运动而传播的。衰减系数与超声波所在介质及频率的关系为: (2-2)2af式 2-2 中: 为衰减系数;a 为介质常数;f 为振动频率。衰减系数 的物理意义是指当

24、超声波在媒质里传播时，由于空气分子运动摩擦、空气中杂质等原因，超声波能量被吸收的损耗系数，当距离为 1/a 时，超声波在传播过程中，其振幅会衰减到原来的二分之一。由此可以看出，当频率越高时，超声波在传播过程中衰减得越厉害，传播距离也会越短。因此，选用合适频率的超声波便成为了一个至关重要的问题。当采用频率较小的超声波时，尽管衰减系数小，传播距离远，但脉冲的波长较长，从而影响测量的精度。例如，当 f=40kHz 时，波长为 0.85 厘米;当 f=20kHz 时，波长为 1.7 厘米，显然，系统的测量精度就会降低一倍。因此在设计超声波液位测量系统时，应该综合考虑接收时的强度和测量精度两方面因素，本

25、文通过参数比较后，为了既达到系统测量精度的要求，也满足接受强度等基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 5 页 共 47 页一系列条件，系统选用了频率为 40kHz 的超声波作为液位测量系统的测量介质。2.3 超声波测距原理超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在收到电脉冲之后发出与电脉冲频率相同的声波信号，经液体或固体物体表面反射后折回，回波信号引起接收传感器的机械振动，通过压电效应变成电信号。目前的大多数超声波液位测量系统基本采用测量回波的方法，通过分析回波信号便可以测量声波的整个运行时间，从而实现距离的测量。根据所选用传感器的工作方式，可分为自发自收单传感器方式

26、和一发一收双传感器方式。根据超声波传播介质的不同，超声波测量技术又可分为气介式和液介式两种类型。液介式超声波液位测量是以液体作为超声波的传播媒介。通过在水底或者其他液体底部安置超声波传感器，将电脉冲信号转换成同频率的声脉冲波，从下至上定向朝液面发射，声波到达液面后，在液面反射回换能器，测得传输过程消耗的时间为 t。但是，在液位很深的情况下，不易于安装和维护此设备。气介式超声波液位测量是以空气作为传播媒介，采用空气声学回声测距原理，根据超声脉冲在空气传播过程中的往返时间来测量液位。气介式超声波液位测量系统是非接触式测量，系统安装维护方便。本文设计的就是采用气介式超声波传感器的液位测量系统。首先超

27、声波传感器向空气中发射声脉冲，声波遇到被测液面后反射回来，若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差 t，利用公式，即可算得传tv21s 感器与反射点间的距离 s 9。测量距离 ，若时，则 ds，若采222dhshS 用收发同体传感器，故 h0，则。tv21sd 图 2-2 超声波测距原理基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 6 页 共 47 页2.4 影响超声波测量精度的因素由公式知，影响超声波液位计液位测量精度的主要因素是声速与传播时间，tv21d 除此之外受外部条件影响产生液位波动等也会造成测量误差。2.4.1 空气温度因素 超声波传感器发射端在电脉冲的触发下产生机

28、械振动，声波是借助于媒质以纵波的形式平行于振动面进行传播的。由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，当空气分子受到振子振动面交替的压缩与扩张时，气体分子具有恢复力，超声波的传播也就相当于是气体为反抗压缩变化力的作用而实现弹性波的传播。因此超声波在空气中的传播受空气气压、湿度、温度、密度、分子成分等因素影响的。与其他环境因素的影响，大气温度是影响超声波速度 C 的最关键因素。超声波在空气中传播的速度与当前温度的关系式如式(2-3)所示。 （2-3）MRTC其中，：气体定压热容和定容热容的比值，在空气中是 1.40。 R：气体普适常量，为 8.341kg.mol-1.k-1。 M:是气体分子量，空气

29、为 28.8*10-3kg.mol-1。根据上式可以计算出早不同温度下声波的传播速度，例如:当温度为 20，即T=293K，此时声波的传播速度 C=344.1m/s。在每种介质中，超声波的传播速度一般都不同，在固体中传播的速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢，而在空气中，温度的变化对声速的影响最大。一般上，可近似认为： （2-4）（sm/0.607T331.45C T式中：T 为空气温度（） 。从式中可知若在 10m 的距离中，温度误差 1可造成约 1.8cm 的测量误差。因此，为了最大限度的减小测量误差，必须准确测量周围的环境温度。在测量距离较大时，为把测量精度控制在厘米范围内，则测量

30、的温度的分辨率应达到 0.1。根据式 2-4 关系可以给出超声波在空气中的传播速度随温度变化的关系曲线图如图 2-3 所示。当温度 T 从小变大，从 0到变化到 40时，超声波在空气中的传播速基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 7 页 共 47 页度将会产生+8%变化。因此，为了提高测量精度减小误差，必须根据当前环境温度对声速进行实时修正，在系统中设计温度矫正单元是很有必要的。 图 2-3 空气中声速随温度变化曲线2.4.2 液位波动和液面表面杂质的因素通常超声波液位计测量不建液位测井，因此，在受风浪船行波、液面杂碎物质如木头等的影响，不平整的水面不但使液位变化而且使超声波的反

31、射方向发生改变，从而减弱超声波回波信号。可以采用在一定时间内，多次采样后求平均来使测量值接近真值。采样的时间越长，采集的数据越多，则测得液位越精确，为了消除船行波等造成水面不规则升降变化的影响。也可以将采样的数据进行排序去掉最大和最小的一部分数据取中间数据的平均值，用这种中间平均法可以有效防止一些测量的干扰。在液位变化比较平缓的地方可以采用控制液位变化率的方法来进行滤波。例如每次采样数据液位变化只允许 1cm,多次采样后的数据就等于或接近真实位，这样可以减少一些随机干扰。2.4.3 影响超声波测量计时准确性的因素测量液位实际就是测量声波从探头发出到达水面，再从水面反射回到探头的时间。这个传播时

32、间的测量精度实际就反映了液位测量精度。上述影响测量精度的因素采用适当的措施和方法比较容易解决，但对超声波的回波进行准确的计时却比较困难。主基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 8 页 共 47 页要影响的因素有：超声波传感器的工作频率与探头的通频带宽度、门限电平与检测方法、干扰鉴别等。 （1）超声波工作频率与通频带超声波传感器通常基于压电陶瓷的工作原理，施加快速变化的交变电压在压电陶瓷上会产生机械振动，从而带动空气振动产生超声波。当超声波遇液面返回时，返回声波信号使压电陶瓷振动而产生电信号。超声波信号示意如图 2-4 所示。 图 2-4 超声波信号示意图通常超声波探头通频带（BW

33、）与谐振频率（W0） 、品质因素 Q 的关系为： 。当探头的品质因素 Q 值越高，通频带越窄，这给压电陶瓷的起始机械振动QW0wB 带来一个较长的时间。通频带越宽，起振时间就越短。因此，在相同的 t 值时，选用较高的工作频率的探头可以缩短起振和衰减时间9。 从图 2-4 可以看出，通频带越宽，则上升时间 t1和下降 t2的时间越小，越接近理想波形。t2越小，意味着超声波测量盲区越小，显然超声波回波到达的时刻反应在 t1的上升波形上，如果定位不准确与不稳定都会极大影响测量精度。所以，选择合适的超声波发射频率和通频带，对于系统精度而言至关重要。（2）门限电平与回波信号幅度基于多传感器融合的复杂边界

34、液面高度测量装置的研究第 9 页 共 47 页被接收的超声波回波经放大、整流与滤波就可还原成图 2-5 中的信号包络波形。设置一个门限电平可以将其还原成方波，以控制计时器结束计时。 图 2-5 发射波、回波整形示意图通常，将门限电平设置在一个噪声电平不能触发的值上，以保证产生的方波信号不是由噪声触发的。显然回波信号的上升时间影响整形波形检出的位置，从而计时器所计时间也不相同，也就是测量的距离会不同，这将会产生测量误差。似乎可以用反射波与回波上升沿一样（同一探头）来解决这个问题，但实际上由于发射波的信号幅度与接收波不同，上升时间也就不一样，因此无法进行补偿。更由于回波信号因距离水面波浪飘浮物等的

35、影响是不稳定的，其大小差可以达到几十倍。很显然当超声波回波信号的电平接近门限电平时，产生的误差最大绝对误差可以大于 10cm（视探头特性电路通带与滤波等因素而定） 。 2.5 减小误差的方案以上分析了几种可能影响超声波测量精度的因素，其中影响最大的还是空气温度对于超声波速度的影响，加入温度校正部分，对于超声波的速度进行实时校正，就能降低温度对测量精度的影响。对于其他的可能影响因素，有以下几种方法。2.5.1 基于多传感器的多点测量通常超声波液位计测量不建液位测井，因此，在受风浪船行波、液面杂碎物质如木头等的影响，不平整的水面不但使液位变化而且使超声波的反射方向发生改变，从基于多传感器融合的复杂

36、边界液面高度测量装置的研究第 10 页 共 47 页而减弱超声波回波信号。可以采用在一定时间内，多次采样后求平均来使测量值接近真值。采样的时间越长，采集的数据越多，则测得液位越精确，为了消除液面不规则升降变化的影响，也可以将采样的数据进行排序去掉最大和最小的一部分数据取中间数据的平均值，用这种中间平均法可以有效防止一些测量的干扰。2.5.2 回波信号放大整形声波信号在传播过程中能量会发生衰减，对接收到的回波信号进行放大整形，可以使回波信号上升沿变陡，缩短上升时间，如图 2-6 中的 A3。观察图中的 A3 可以明显地看出，经过整形放大后，可以减少幅度衰减带来的影响。但是，这种方法有明显的缺点，

37、回波信号中包含着有用信号，也包含了随机噪声，在放大有用信号的同时，也放大了干扰与噪声。当放大后的干扰与噪声信号的电平达到门限电平时，检测电路就会误判成真实的超声波测量回波，引起误差，所以，要合理地选择放大倍数与控制门限电平。另外在实际应用中还需考虑回波信号随距离增加而衰减等因素，才能获得较好的效果。 图 2-6 回波信号不同时的检出波形2.5.3 回波信号前沿分析法回波信号前沿分析法，就是通过计算前沿上升时间的方法来进行不同回波信号电平的补偿。其补偿的前提条件是假设获取的信号前沿是线性的。回波信号的上升、下降沿与电容充放电类似，是一条指数曲线，但在信号电平二分之一下（上升沿）近似基于多传感器融

38、合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 11 页 共 47 页直线（三角函数也类似） 。因此信号采样在此区间可视条件基本成立。如果在不同回波信号 A1、A2采样，取得 T1、a1与 T2、a2,见图 2-7 中放大示意可知 （2-5）01212201111TaaTTSTTTST与 图 2-7 回波信号的前沿分析示意图在大回波信号 A1时，由 2-5 式知，通过已知采样数据 a1、T1及前沿采样电平 S1，可以算出 T0+T1的时间，从而可得 t0的计时时间。同理当一个弱回波信号 A2时，也同样可准确推算出 t0计时时间。显然用上述方法使回波的计时准确性与回波信号电平无关，达到了消除因回波信号的大

39、小不同而产生的误差。采用超声波信号回波前沿时间分析技术，可以有效地控制回波信号电平因反射面不同、反射角不同、反射距离不同等各种因素而引起的信号电平变化带来的测量误差。结合其他措施可以使超声波液位计较好地满足水文观测、超声波测深、测距等应用。2.5.4 回波信号的包络检测法超声波传感器发射超声波过程包括了起振、稳定和衰减过程。通过示波器对回波波形进行观察，可以发现对同一探测物，不同传播距离的回波包络线都有较好的一致性，回波波形都大致相同，只是波幅不同，并且同一距离时的不同类型探测物的回波波形也大致相同，只是波幅不同。从工程精度考虑，可以认为超声回波幅值包络线的形状基本不随回波信号的大小而变化。即

40、回波信号包络峰值所对应时刻 tp 与回波前沿到达时刻 t0 间的时间差( tp-t0)不随探测物远近的变化而变化。而时间差(tp-t0)也容易通过实验计算出来。因此，可将接收回波信号的包络峰值所对应的时刻 tp 作为停止记数的时刻,用回波包络峰值所对应时刻与回波前沿到达时刻的时间差(tp-t0)就可消除由于时间检出点变化所引起的测量误差。回波信号在进行线性包络检波之后，在分别通过微分电路、零点交叉检测，最后进入单片机外部中断的入口，从而完成传播声时的准确基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 12 页 共 47 页计时。因为采用包络峰值时间点的检测方法与信号振幅无关, 故具有优良的

41、传输时间检出特性. 包络峰值检出原理及波形如图 2-8、图 2-9 所示。包络峰值检测也可以消除虚假回波的干扰，使达到阀值的虚假回波可以被峰值检测滤掉。因为超声波接收回波的幅值随传播距离的增加而成指数规律衰减,所以采用AGC 电路使放大倍数随距障碍物距离的增加成指数规律增加的电路。在计数器开始计时的时刻，AGC 电压开始随时间增加而增加，在检测到回波脉冲后清零。零交叉点检测可以保证回波到达时刻不受回波大小变化。采用鉴宽电路可以抑制偶然的尖峰干扰信号，使尖锐的干扰信号被鉴宽电路挡住而不能到达电平比较电路。采用包络峰值检测可以保证回波前沿的准确到达时刻10。接收信号图 2-8 回波包络峰值检测原理

42、 . 图 2-9 回波包络峰值检测波形前置放大 AGC 自动增益带通滤波器鉴宽电路包络检波微分电路过零检测单片机基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 13 页 共 47 页3 系统的硬件设计3.1 系统的总体方案 本设计的主控芯片选用宏晶科技的 STC89C52，超声波探头组选用 HC-SR04 超声波传感器，HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感应探测，测距的精度达到了 3mm，模块中已经包含了超声波发射、接收电路以及信号处理电路，满足上述理论分析中精度的要求。温度校正模块中的温度传感器选用 DS18B20，其采用独特的单线串行通信，并以 9

43、 位数字值方式读出温度，测量范围从-55到 125，最大精度能达到 0.125，满足任务要求。显示模块采用普遍的七段数码管显示，显示亮度大，操作简便。图 3-1 系统硬件结构图 本系统的软件层由驱动及应用程序组成。其中应用程序包括数据采集程序及DS18B20 的底层驱动程序，而驱动程序的设计是本系统设计的重点之一。3.2 硬件设计3.2.1 STC89C52RC 单片机STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。主要特点如下：51 单片机超声波探头组 HC-S

44、R04 显示模块温度校正模块 液位基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 14 页 共 47 页（1） 、自带 8KB 的 ROM，512B 的 RAM，能够满足一般的工程设计任务。（2） 、工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作频率可达 48MHz。（3） 、能够 ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片。（4） 、具有看门狗功能。（5） 、共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。（6） 、外部中断

45、 4 路下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。STC89C52 的最小系统如图 3-2 所示。图 3-2 STC89C52 最小系统板在本设计中，采用 50ms 定时器为三个超声波探头安排发射超声波顺序的计时，采用外部中断对回波信号的飞行时间进行计时，在介绍系统软件的设计之前，有必要了解 STC89C52 单片机的定时器/计数器的相关控制位和设置位。STC89C52 的定时器/计数器相关寄存器有工作方式寄存器 TMOD 和控制寄存器TCON。工作方式寄存器主要用来设置定时器的工作模式、启动方式等，TMOD 的各种符号以及地址如表 3-1 所示

46、。基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 15 页 共 47 页 表表 3-1 定时器工作方式寄存器定时器工作方式寄存器TMODGATAC/Error!M1M0GATAC/Error!M1M0位地址8FH 8EH 8DH8CH8BH8AH 89H88H（1） 、GATE：门控选通位 GATE=0：定时器/计数器只受 TR（TR0、TR1）控制。 GATE=1：只有 INT0、INT1 为高电平，且 TR=1 时定时器/计数器才开始工作，INT0、 INT1 分别控制 T0 和 T1 的运行。（2） 、C/Error!：功能选择位。 C/Error!=0：定时器。 C/Error!=

47、1：计数器。（3） 、M1、M0：工作方式选择位。定时器/计数器控制寄存器 TCON 要用来设置外部终端请求触发方式、定时器运行控制、显示和设置外部中断请求以及定时器终端标志位。TCON 的各位符号名以及各位地址如表 3-2 所示。 表表 3-2 定时器定时器/计数器控制寄存器计数器控制寄存器TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H（4） 、IT0 和 IT1：外部中断请求触发方式控制位 IT0（IT1）=1：脉冲触发方式，下降沿触发。 IT0（IT1）=0：电平触发，低电平有效。（5） 、IE0 和 IE1：外部中断请求标

48、志位 IE0（IE1）=1：外部中断置位，允许外部中断。 IE0（IE1）=1：外部中断复位，不允许外部中断。（6） 、TR0 和 TR1：定时器/计数器运行控制位 TR0（TR1）=1：定时器/计数器工作。 TR0（TR1）=1：定时器/计数器不工作。（7） 、TF0 和 TF1：计数溢出标志位。当定时器溢出时，相应的溢出标志位由硬件置1。基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 16 页 共 47 页3.2.2 稳压电路稳压电路是保证系统能够工作稳定状态的关键部分。在稳压电路部分，采用了常用的 LM7805 稳压芯片。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元

49、件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。因为三端固定集成稳压电路的使用方便， 在电子制作中经常采用。 本系统的稳压电路部分采用了经典的接法， 如图 3-3 所示。图 3-3 稳压电路3.2.3 超声波探头组 本设计中，超声波探头组选用 HC-SR04 超声波传感器，HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感应探测，测距的精度达到了 3mm，能够满足设计任务中 100cm 以内测距、10cm 误差的设计要求。并且模块中已经包含了超声波发射、接收电路以及信号处理电路，外围接口只有四个，分别是依次分别是VCC、TRIG、EC

50、HO、GND 引脚，其中，TRIG 为触发信号输入引脚，当给 TRIG 引脚至少 10us 的正脉冲是，模块自动发出 8 个 40KHZ 的脉冲方波，自动检测回波信号。当有信号返回时，ECHO 引脚输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波的从发射到返回被接收的飞行时间，单个超声波模块的测量距离=高电平持续时间*声速/2，表 3-3 显示了 HC-SR04 的各种参数。表表 3-3 HC-SR04 电气参数电气参数电气参数HC-SR04 测距模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40KHZ基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 17 页 共 47 页 续表续表 3-33-3

51、最远射程400cm盲区2cm测量角度15 度输入触发信号10us 的 TTL 脉冲输出时间信号输出 TTL 电平信号，与射程成正比HC-SR04 超声波传感器如图 3-4 所示。超声波传感器模块中的主控芯片采用EM78P153 单片机，EM78P153 采用高速 CMOS 工艺的 8 位单片机，内部有 512*13 位一次性 ROM（OTPROM）和一个 8 位定时/计数器。EM78P153 在接收到外部至少10us 的正脉冲之后，启动定时/计数器产生 40KHZ 的方波脉冲，经过 MAX232 驱动，超声波发射端探头产生和方波脉冲频率相同的声波脉冲。 图 3-4 HC-SR04 超声波发射端

52、电路图超声波传感器的接收端原理图如图 3-5 所示。在超声波接收单元中，超声波接收探头接收到回波信号，回波信号中带有随机噪声。运放 A0 构成一个放大电路，A1 是一个二阶带通滤波器，A2 是低通滤波器，运放 A3 构成电压比较器。回波信号经过A0，信号得到放大，再经过 A1 带通滤波器滤除 40KHZ 以外的噪声，在经过 A2 取出回波信号包络，通过 A3 比较器，当电压达到门限电平，输出一个脉冲，在 NET10 口输入到 EM78P153，得到飞行时间。基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 18 页 共 47 页 图 3-5 超声波模块接收端原理图为增加测量精度，避免由于液面

53、扰动或大体积杂质对测距的影响，超声波探头组由 3 块 HC-SR04 超声波传感器组成。三个超声波发射和接受模块通过 74HC153 与单片机相连，74HC153 为双四选一的双向数据选择器。由于 STC89C52 只有两个外部中断，而每个接收到的回波信号需要外部中断来使定时器停止计时，所以，使用 74HC153 选择特定的超声波模块，实现在一个外部中断资源的情况下对三个超声波模块接收到的回波信号的中断计时任务。具体的硬件电路图如图 3-6 所示。 图 3-6 超声波探头组的硬件连接3.2.4 温度校正模块 本系统中，温度的探测传感器选用 DS18B20。数字化温度传感器 DS18B20 是世

54、基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 19 页 共 47 页界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。信息经过单线接口 DQ 送入 DS18B20或从 DS18B20 中输出，因此，中央主控芯片只要提供一个 I/O 口就可以实现与DS18B20 的通信， ，并且温度的转换在 DS1820 内部已经完成，读、写及温度转换所需的电源可以由 DQ 接口的数字信号的电平提供，而不需要外部电源。DS1820 的测量温度范围为-55到+125，在-10 到+85范围内,精度为0.5。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。其适合于在恶劣环境的温度测量，如：环境

55、控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。本设计中要求精度10cm，0.5的温度精度能控制距离测量误差在 1cm 的范围内，完全满足系统的设计要求。DS18B20 的示意图如图 3-7 所示，引脚说明如表 3-4 所示。表表 3-4 DS18B20 管脚说明管脚说明引脚8-PIN SOIC 封装引脚 PR35 封装符号说明51GND电源地42DQ单线数据输入输出引脚，33VDD可选 VDD 引脚，可接外部电源 图 3-7 DS1820 管脚及封装图 DS18B20 中包含了 64 位激光 ROM，开始的 8 位为单线产品的编码（如 DS1820的编码是 10H） ，接着是 48 位唯一的序列

56、号，这使得多个 DS18B20 可以串联在一个总基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 20 页 共 47 页线上，最后 8 位是开始 56 位的 CRC。在对 DS18B20 进行读写之前要先写入 ROM 操作命令，ROM 操作命令分为五种：Read ROM（读） 、Match ROM（匹配） 、Search ROM（搜索） 、skip ROM(跳过)、Alarm ROM（警告） 。在成功的写入操作命令后才能访问 DS18B20 的特定功能，然后总线主机才能提供六个存储器和控制功能命令之一。DS18B20 的温度分辨率可以由用户选择，有 9、10、11、12 位，相应的温度增量为

57、 0.5、0.25、0.125和 0.0625。在未做更改分辨率的情况下，传感器默认的分辨率为 12 位，为了初始化温度传感器并且得到数模转换的温度值，主机必须向DS18B20 写入温度转换指令（44H） ，温度转换需要至少 750ms 时间，所以至少间隔750ms 主机才能读温度值。转换后的数字温度存储在 2 字节的温度存储器中，温度存存储器的格式如表 3-5 所示。表表 3-5 DS18B20 温度存储器格式温度存储器格式BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0低 8 位232221202-12-22-32-4BIT15BIT14BIT13BIT12BIT11BIT

58、10BIT9BIT8高 8 位SSSSS262524其中，S 是符号位，当温度为正值时，S=0，当温度为零下为负值时，S=1。DS18B20 与单片机的传统接法为单总线接法，其物理连接图方式如图 3-8 所示。 图 3-8 DS18B20 物理连接图DS18B20 单总线结构的通信过程包括了初始化、ROM 操作命令、存贮器操作命令、处理数据。（1） 、初始化单总线上的所有从传感器的初始化均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究第 21 页 共 47 页机发出一复位脉冲，接着从属传感器回复存在脉冲，表示传感器工作正常，可以进行接下来的操作。初始化操

59、作的时序图如图 3-9 所示, 总线主机向总线发出一复位脉冲，此脉冲至少为 480us。接着，主机释放总线进入接收状态。并由上拉电阻将总线电平拉高在检测到总线上上升沿电平后，DS18B20 等待 15-60us 并且发出 60-240us 的负脉冲。主机检测到此负脉冲，表示总线上连接着 DS18B220 温度传感器。图 3-9 初始化操作时序图（2） 、ROM 操作命令一旦总线主机检测到从属器件的存在，踏遍它便发出 ROM 操作命令。所有的ROM 操作命令均为 8 位字长，ROM 操作指令如表 3-6。 表表 3-6 ROM 操作指令集操作指令集ROM 操作指令操作码说明Read ROM33H

60、允许主机读 DS1820 的 ROM，但仅在总线只有一个 DS1820下使用Match ROM55H按序列号对总线上多个 DS1820 寻址，只有符合的才进行接下来的操作Search ROMF0H允许从总线主机识别所有从片的 64 位 ROMSkip ROMCCH允许总线主机跳过识别 ROM，直接访问贮存器以节约时间。Alarm ROMECH在温度测量出现告警的情况下给出告警响应（3） 、存贮器操作指令在写入了 ROM 操作指令后，要对 DS18B20 写入存贮器操作指令，包括温度转换指令（44H） 、写暂存器指令（4EH） 、读暂存器指令（BEH） 、复制暂存器指令（48H）基于多传感器融合