礦用超聲波物位傳感器設(shè)計(jì)

張杰 江杰

摘 要：在實(shí)際生產(chǎn)中，原煤倉(cāng)中煤位的測(cè)定有著重要意義。因此設(shè)計(jì)礦用超聲波物位傳感器，實(shí)現(xiàn)原煤倉(cāng)中煤位測(cè)量的功能。本設(shè)計(jì)利用了超聲波測(cè)距的原理，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)AT89C52為控制核心的礦用超聲波物位傳感器，實(shí)現(xiàn)了原煤倉(cāng)煤位測(cè)量的目的。硬件電路設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制器，由超聲波發(fā)射電路、超聲波檢波接收電路、顯示電路三部分構(gòu)成。通過(guò)軟硬件調(diào)試，完成了設(shè)計(jì)預(yù)定的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力較強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展，在原煤倉(cāng)煤位的測(cè)量方面具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：AT89C52；礦用超聲波；測(cè)距系統(tǒng)；CX20106A

一、緒論

在我國(guó)，煤炭是一種應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的能源，在發(fā)電、蒸汽機(jī)車(chē)、建材、工業(yè)鍋爐、生活用煤、冶金生產(chǎn)幾方面的作用尤為突出。伴隨科技飛速發(fā)展，煤炭開(kāi)掘技術(shù)也將不斷的成熟，繼而煤的儲(chǔ)量隨之增加，原煤倉(cāng)中煤位的測(cè)量就會(huì)具有重要的實(shí)際意義。礦用超聲波物位傳感器設(shè)計(jì)任務(wù)：

礦用超聲波物位傳感器用于測(cè)量原煤倉(cāng)中的煤位，通過(guò)測(cè)量發(fā)射到接收的時(shí)間差，來(lái)計(jì)算煤位距離倉(cāng)頂?shù)木嚯x，用以有效的了解原煤倉(cāng)的儲(chǔ)量，提高原煤倉(cāng)的利用率，防止了煤位超標(biāo)造成的事故也避免了不必要的資源浪費(fèi)。測(cè)量的距離通過(guò)LED數(shù)碼管顯示，直觀并且方便記錄。

礦用超聲波物位傳感器設(shè)計(jì)要求：（1）硬件物理結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)。（2）軟件編寫(xiě)以及流程程序的編輯、運(yùn)行。（3）仿真調(diào)試完成的硬件電路，軟、硬件聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)現(xiàn)既定功能。

二、超聲波測(cè)距原理

由于超聲波具有指向性良好的特性，在某種介質(zhì)中的傳播速度恒定，因此超聲最常用的功能是距離測(cè)量及定位。

假設(shè)超聲波在空氣介質(zhì)中傳播，任何障礙物都能反射、折射、吸收一部分通過(guò)它自身的聲波，其比例與物體自身的均衡度有關(guān)。反射波的振幅與目標(biāo)物體上能產(chǎn)生反射的表面成比例。影響反射波強(qiáng)度的主要因素是表面尺寸、形狀、方位和目標(biāo)物體的組成成份。發(fā)射的聲波一部分到達(dá)物體表面后反射，一部分進(jìn)入物體，在物質(zhì)中傳輸，最終被遇到的物體界面反射。因此也可接收到來(lái)自物體內(nèi)部的很細(xì)微的信號(hào)。

煤質(zhì)是聲波的傳輸?shù)谋匾橘|(zhì)，聲波在媒質(zhì)中的傳播的速度，稱(chēng)為聲速。符號(hào)為c，單位為m/s。由聲波產(chǎn)生的物理過(guò)程可以知道，聲速與質(zhì)點(diǎn)的速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動(dòng)形式和能量的傳遞，并不使各自平衡位置附近振動(dòng)的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。媒質(zhì)的密度、溫度等因素決定了聲速在煤質(zhì)中的傳播速度，因氣體單具備體積彈性，故縱波是氣體中聲波的傳播形式。也就是說(shuō)，在有聲擾動(dòng)的情況下，氣體媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在各自平衡位置附近運(yùn)動(dòng)，在稠密和稀疏依次交替的過(guò)程中傳播，而且聲波傳播的方向與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向是同向的。

在較大頻率范圍內(nèi)聲速不會(huì)隨頻率發(fā)生較大變化，也就是說(shuō)超聲與可聞聲波的傳播速度是接近相同的，超聲波在介質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律和可聞聲波相同，較一般聲波相，超聲波具備更好的定向性，并且具備穿透不透明物質(zhì)的屬性。超聲在一般流體媒質(zhì)（氣體、液體等）中的傳播理論已然較為成熟。

由此可知，超聲波在空氣中的傳播速度為：

c=331.4±0.61Tm/s

其中T為環(huán)境溫度。在實(shí)際測(cè)量中，我們要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境溫度與聲速的關(guān)系做溫度補(bǔ)償。

三、礦用超聲波物位傳感器設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

因超聲波具有強(qiáng)的指向性、緩慢的能量消耗速度、在媒介傳播距離遠(yuǎn)的特性，因而測(cè)距系統(tǒng)常采用超聲波技術(shù)。測(cè)量距離利用超聲波技術(shù)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、計(jì)算方法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度達(dá)標(biāo)的特點(diǎn)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，相對(duì)于其他測(cè)距方式更適用于煤礦原煤倉(cāng)的工作環(huán)境。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本設(shè)計(jì)控制器（CPU）采用AT89C52型號(hào)單片機(jī)，動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示的設(shè)計(jì)思路，完成了礦用超聲波物位傳感器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量原煤倉(cāng)煤位的目標(biāo)。

超聲波發(fā)射器端發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，遇到被測(cè)物體時(shí)反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，再由d=s/2=vt/2即可算出被測(cè)物體的距離。

單片機(jī)AT89C52具有功耗較低、性能高效、片內(nèi)由8KB Flash ROM 的8 位CMOS 組成，工作電壓跨度范圍2.7～6V（實(shí)際使用以+ 5V供電為準(zhǔn)），八位數(shù)據(jù)總線。單片機(jī)AT89C52具備可編程全雙工串行通信接口，并可同時(shí)進(jìn)行串行發(fā)送、接收工作。通過(guò)RXD 引腳（串行數(shù)據(jù)接收端）和TXD 引腳（串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)的互通。正因單片機(jī)AT89C52具備以上特質(zhì)，古選擇它作為本次設(shè)計(jì)的微處理器。

四、調(diào)試及結(jié)果

Keil uVision3是本設(shè)計(jì)選用的調(diào)試軟件，它的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為微處理器軟件，內(nèi)嵌多種開(kāi)發(fā)工具符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以完成從工程建立到管理、編譯、連接、目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程。用STC將程序編譯好燒到單片機(jī)試運(yùn)行。調(diào)試過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際情況修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。

硬件調(diào)試的第一步是線路的檢查。焊接完成后要仔細(xì)檢查器件有否錯(cuò)焊、漏焊、虛焊，電解電容是否焊反，線路是否正確。檢查無(wú)誤后上電，這時(shí)，AT89C52、74HC04不插上。在正式上電前，用萬(wàn)用表測(cè)量電源與地是否短路。如果短路，要仔細(xì)檢查、排除故障。第二步是發(fā)射和接收電路的檢查，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器把40KHz的方波信號(hào)加到發(fā)射電路的輸入端，用示波器檢測(cè)超聲波發(fā)射換能器是否有方波信號(hào)產(chǎn)生。再用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器對(duì)超聲波檢波接收換能器加40KHz的方波信號(hào)，用示波器對(duì)檢波接收電路輸出端進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)結(jié)果不正確，要耐心檢查電路以及超聲波換能器的好壞。最后進(jìn)行顯示電路的檢查，首先是檢測(cè)各個(gè)器件的好壞，若器件完好，給單片機(jī)與數(shù)碼管段碼連接的各個(gè)引腳加高低不同的電平，再用一個(gè)高電平分別對(duì)位碼進(jìn)行檢測(cè)，如果數(shù)碼管能夠顯示，說(shuō)明顯示部分電路沒(méi)有問(wèn)題。以上檢測(cè)完成后，硬件部分的調(diào)試就完成了。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋永東，周美麗，白宗文，等.高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（15）：137-139.

[2]柴鈺.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.2.

[3]蘇偉，鞏壁建.超聲波測(cè)距誤差分析傳感器技術(shù)[J].2004.

[4]高川，談?wù)穹?基于AT89C51的超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用科技[J].2006（11）：11-14.

[5]龔尚福.C/C++語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.2.