学位论文-—超声波油量测量仪的设计.doc

长春理工大学光电信息学院毕业设计编号 本科生毕业设计 超声波油量测量仪的设计Design of Supersonic OilInstrumentation Quantity Instrument学 生 姓 名专 业计算机科学与技术学 号指 导 教 师学 院信息工程分院摘 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长春理工大学光电信息学院毕业设计第一章 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：①智能化液位仪；②非接触测量方式的液位仪；③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)mm3)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1000—100000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34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。