毕业设计--超声波油量测量仪的设计.doc

编号 本科生毕业设计 超声波油量测量仪的设计Design of Supersonic OilInstrumentation Quantity Instrument20010 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Abstract The design for the gas station fuel tanks in the measurement problem, in-depth discussion of the use of ultrasound as a signal source to carry out the feasibility of liquid level measurement and the superiority of the errors discussed a variety of reasons, the corresponding solution. AT89C52 single-chip designs to the smallest system to the core, the principle of ultrasonic distance measurement theoretical basis for the use of ultrasound on oil as a control signal for automatic detection and data processing, to reduce the measurement in the process of human intervention, provided with a display , keyboard interface of man-machine conversation and make it easier for operators of real-time monitoring of oil through the micro-printer or PC-communication such as print, save the data, to better the situation on the oil storage management. Ultrasonic measurement of the fuel, low cost, simple, powerful, and traditional methods of liquid level measurement, with non-contact, high speed, high precision, automatic control, reliable and low cost advantages. Keywords: Ultrasonic liquid level measurement single-chip non-contact目录第一章 引言11.1国、内外液位计量仪表的现状.11.1.1国外液位计量仪表的现状11.1.2国内储罐液位计量仪表的现状21.2超声波油量测量仪的研究目的及意义.21.3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42.1超声波传感器工作原理.42.1.1超声波传感器基本结构及工作原理42.1.2超声波发射器52.1.3超声波接收器62.1.4 T/R40超声波传感器72.2超声波油量测量仪测量原理.72.2.1测量原理72.2.2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133.1总体设计思想.133.2工作过程.14第四章 系统结构及硬件设计154.1超声波油量测量仪的硬件设计思想.154.2 AT89C52单片机最小系统.154.3超声波发射电路设计.164.3.1超声波发射电路功能164.3.2超声波发射电路原理图164.4超声波接收电路.174.4.1超声波接收电路功能174.4.2超声波接收电路原理图184.5 8279接口电路与键盘显示电路.194.5.1 8279接口电路设计194.6基于DS18B20的温度测量电路. 214.6.1温度传感器DS18B20简介214.6.2 DS18B20与单片机的典型接口设计224.7与PC机通讯接口的设计.22第五章 软件设计235.1软件总体设计.235.1.1软件设计总体框图235.1.2软件程序中各部分模块介绍235.2超声波驱动与数据处理模块.245.2.1超声波发射程序245.2.2外部中断0的中断服务程序255.3功能模块.265.3.1键盘与显示子程序265.3.2通讯子程序27第六章 抗干扰处理306.1硬件抗干扰措施.306.2软件抗干扰措施.30结 论32参考文献33致 谢3435第一章 引言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(4-10)mm。(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，最高精度可达士0.7mm。(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。 1.1.2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。 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，系统综合精度达到士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。1.3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2.1超声波传感器工作原理2.1.1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2-1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2-1超声波传感器内部结构图2-2超声波传感器等效电路图换能器的能量用，电能用表示。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，则有： (2-1) (2-2) = (2-3)=(+) (2-4) 超声波换能器的工作效率为: (2-5)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。2.1.2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。2.1.3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。2.1.4 T/R40超声波传感器本仪器所采用的TR40-16型超声波传感器的声压电平和灵敏度特性曲线如图2-3、图2-4所示。（db） 声压电平图2-3声压电平特性曲线灵敏度(db/v/ubar) 图2-4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。2.2超声波油量测量仪测量原理2.2.1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。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2-5超声波测量原理图如图2-5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 (2-9) 由下式计算测量误差 (2-10)式中，为h的测量误差，为渡越时间的测量误差，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(2-9)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，331.45+0.6 t,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。2.2.2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： (2-11)式中，为声压振幅，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(2-2)，(2-3)知，在空气里/cm，当振动的声波频率f =40KHz，代入式(2-3),可得cm,沿着波的传播方向10米处，x =10m。=0.726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。 (2-12)为声特性阻抗，记作。由(2-11)(2-12)式知，I，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2-6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。=1.29Kgx340m=439Kg=0.71xKgx1400m=980xKg波束从空气中入射到界面， =，=r=(-)/(+)=(980x-439)/ (980x+439)=0.999r 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2-6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%。R=-0.998说明反射波与入射波的强度之比为99.8%。T=/(+439=0.00179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了，以后的传播过程可以不考虑3。图2-7波束斜入射到液面示意图 图2-8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： (2-13)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3.1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3-1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3-1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。3.2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，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4.1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：1.89C52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。4.2 AT89C52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(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)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4。4.3超声波发射电路设计4.3.1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=UT/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。4.3.2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4-1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P1.0管脚输出40KHz的脉冲信号给发射电路。由于单片机P1.0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。 图4-1超声波发射电路4.4超声波接收电路4.4.1超声波接收电路功能如图4-2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。4.4.2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4-2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AT89C52的P1.6管脚，当p1.0管脚发脉冲时，将P1.6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P1.6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P1.2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。图4-2超声波接收电路原理图4.5 8279接口电路与键盘显示电路4.5.1 8279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