矿用超声波物位传感器设计软件.docx

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矿用超声波物位传感器设计软件

论文题目：

矿用超声波物位传感器设计（软件）

专业：

自动化

本科生：

张米林（签名）

指导老师：

郭秀才（签名）

摘要

随着科技的进步和煤炭开采自动化程度的提高，煤矿安全检测监控系统为煤矿安全生产发挥了重要的作用。

超声波物位传感器为煤矿安全检测监控系统提供了实时物位数据。

所以超声波物位传感器的研究具有重要的意义。

本设计以STC89C52单片机为核心处理器，有电源模块，超声波模块，温度模块，12864液晶显示模块，报警模块，D/A转换模块，压频转换模块等组成。

测量距离时，先由软件产生40KHz的方波驱动超声波发射探头发射超声波，同时开始计时，通过超声波传播时间即可实现物位的测量。

此外实现了温度的显示，报警等。

最后将物位数据通过D/A转换转换为电压信号，再通过压频转换模块转换为频率信号，实现远距离传输，最后通过上位机显示。

通过实验论证：

该系统电路设计合理，工作稳定，检测速度快，在测量精度方面能达到工业要求，具有重要的现实意义。

关键字：

检测监控，超声波，单片机，传感器，物位

Subject:

ThesensordesignoftheMineultrasonicthinglocation（software）

Specialty:

Automation

Name:

Zhangmilin（signature）

Instructor:

Guoxiucai（signature）

ABSTRACT

Withtheadvancementoftechnologyandincreasedautomationofcoalmining,coalminesafetyinspectionandmonitoringsystemplayanimportantroleinthecoalminesafetyproduction.Ultrasoniclevelsensorprovidesreal-timepositiondataforcoalminesafetyinspectionandmonitoringsystem.Therefore,toresearchonultrasoniclevelsensorhasimportantsignificance.

ThisdesignusesSTC89C52microcontrollerasthecoreprocessor,includepowermodule,ultrasonicmodule,temperaturemodule,12864liquidcrystaldisplaymodule,alarmmodule,D/Aconvertermodule,voltagetofrequencyconversionmoduleandsoon.Whenmeasuringdistance,firstbythesoftwaregeneratesa40KHzsquarewavetodriveultrasonictransmitterprobetransmittingultrasonic,andstartthetimer,canbeachievedbytheultrasonicpropagationtimemeasurementthinglocation,Inadditiontoachievetemperaturedisplay,alarmetc.FinallythinglocationdatathroughtheD/Aconverterconversiontoavoltagesignal,andthenthroughvoltage-frequencyconversionmoduleconvertsthefrequencysignal,toachievelongdistancetransmission,finallythroughthePCdisplay.

Itwasprovedbyexperimentsthatthesystemdesignisreasonable,stable,fastdetectionspeed,measurementaccuracycanmeettherequirementofindustry,hastheimportantpracticalsignificance.

KEYWORDS:

inspectionandmonitoring,ultrasonic,microcontroller,sensor,thinglocation

1绪论

1.1研究的背景及意义

煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的粮食，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。

虽然石油的应用非常广泛，但石油的储量慢慢减少，石油的应用会越来越少，而煤炭的储量巨大，加上科学的迅速发展，煤炭汽化新技术逐渐成熟，并且应用越来越广泛，煤炭将成为人们生活中的主要能源。

随着科技的进步和煤炭开采自动化程度的提高，煤矿监测监控技术为煤矿安全生产发挥了重要的作用，超声波传感器为煤矿监测监控系统提供实时的物位数据，所以超声波物位传感器的研究具有重要的意义。

但我国煤矿地质构造很复杂，地质条件也很恶劣，使得煤矿的生产中安全生产非常复杂。

这些因素都可能会使超声波物位传感器本身的测量性能无法得到充分的发挥。

如何消除或避免这些不利因素影响，并解决超声波电路方面的难题，提高超声波物位传感器的测量性能，成为国内外诸多学者的研究热点。

1.2国内外发展趋势及研究现状

近些年中国煤炭行业迅猛发展，已成为世界产煤第一大国。

随着国家对煤矿企业的安全生产的要求不断提高以及企业自身的发展，我国的很多煤矿陆续装备矿井监测监控系统。

这使得煤矿的安全生产有了很大的提高。

我国的监测监控系统的应用比较晚，通过长期的实践和引进外国的技术，通过消化并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出了KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统。

物位传感器为煤矿安全监控系统提供实时物位数据，它的可靠性和稳定性是煤矿监测监控系统的关键技术和产品。

虽然超声波物位传感器产品在很多地方已经开始应用，但在超声物位测量技术方面，仍有很多问题需要研究解决。

比如超声波发射的稳定性不易控制，超声波易受到环境温度、噪声、湿度等因素的影响。

随着国家超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变的越来越普及，根据超声波原理制成的测量仪器也越来越多。

1.3课题主要内容

本设计以STC89C52单片机为核心处理器，有电源模块，超声波模块，温度模块，12864液晶显示模块，报警模块，DA/压转换模块,频转换模块等组成。

通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射的同时开始计时，当超声波遇到障碍物反射回来，超声波接受器接受到反射超声波时单片机停止计时，超声波在空气中的传播速度v，根据传播时间t计算出发射点距离障碍物的距离。

将所测的距离用12864液晶显示，同时显示温度，温度的测量主要是考虑到温度对声速的影响，把温度加入到相关函数，使得测量更准确。

最后把物位数据通过D/A转换模块转换为电压信号，再通过压频转换模块转换为频率信号，实现远距离传输。

2监测监控系统的概述

在人类的发展过程中，一方面人类要认识世界，另一方面人类要改造世界。

在科学实验和工业生产过程中，需要对被控对象的一些参数进行“检测”，获得表征它们的有关信息，这样就可以对被测的对象进行宏观了解和定量。

此外，还需要依据结果并用一定的方法去“控制”被控对象的一些参数，以便能稳定，快速，准确地达到目标。

2.1监测监控系统的基本概念

监测测监控系统就其功能而言，一是“测”，也就是检测被控制的变量，二是“控”，也就是根据检测到的参数去控制执行机构；就其技术而言，监测监控系统是传感器技术，通信技术，计算机技术，控制技术，计算机网络技术等信息技术的综合；就其应用而言，监测监控系统是现代化的生产和管理的有利工具，广泛应用于国民经济的各个领域，如化工，冶金，纺织，能源，交通，电力和城市公共事业的自来水，供热，排水，医疗等，在科学研究，国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜；就其组成而言，监测监控系统是分布式的计算机管理系统；就其地位而言，监测监控系统是企业综合自动化CIMS中的子系统，是计算机网络中的节点；就其理论基础而言，监测监控系统是维纳提出的控制论，香农提出的信息论，贝塔朗菲提出的系统论的综合与实践。

2.2监测监控系统的分类与组成

2.2.1监测监控系统的分类

（1）检测系统

一般用来对被测对象中的一些物理数据进行测量，获得测量数据。

（2）控制系统

通过控制器指挥执行机构控制被控对象。

（3）测控系统

依据被控对象的被控参数的检测结果，按照人们预期的目标对被控对象实施控制。

2.2.2监测监控系统的组成

（1）被控对象

被控对象是指被控制的装置或设备。

被控变量c（t）则是影响系统安全性，经济性，稳定性的变量。

（2）检测单元

检测单元是通过传感器测出被控对象变量，为控制器提供所需的控制信号y（t）。

（3）控制器

通过将检测到的信号y（t）和原始的信号x（t）相比较得到偏差信号e（t），再通过一定的算法得出控制信号u（t），为执行机构准备。

（4）执行机构

执行机构是执行控制信号u（t），从而改变控制的变量g（t），使得被控变量c（t）回到设定数值。

2.3传感器在监测监控系统中的作用

传感器利用各种物理效应，化学效应以及生物效应把被测的非电量转换成电量，为监测监控系统提供实时的数据，实现对被控对象的控制。

本设计是矿用超声波物位传感器的设计，即通过超声波传感器检测煤仓中煤位的高度。

在工业中，皮带机不停的向煤仓中加煤，由于煤仓较高，而且内部环境非常复杂，煤位检测用非接触式的超声波传感器比较合适，所以用超声波传感器检测煤位，当煤位超过一定的高度时，必须要停止皮带机，否则会发生严重的后果。

3超声波物位传感器概述

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如汽车倒车，建筑施工工地，液位，井深，管道长度等一些工业现场的位置监控场合，可以利用超声波传感器测出它们的距离。

利用超声波检测，往往比较迅速，方便，并且计算简单，易于做到实时控制，因此，超声波测距应用比较广泛。

超声波的发生器分为两大类：

一是用电气的方式生成超声波；另一是用机械的方式生成超声波。

电气方式包括压电型，电动型等；机械方式有加尔统笛，液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前在近距离测量中较为常用的是压电式的超声波物位传感器。

压电式的超声波物位传感器就是用压电晶体谐振工作的。

压电式的超声波物位传感器主要包括共振板和压电晶片。

在它的两极加上脉冲信号时，若脉冲信号的频率与压电晶片固有频率相等时，压电晶片就会共振，从而使共振板开始振动，这样就产生了超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受器了。

3.1超声波物位传感器的原理

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。

频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。

当超声波由一种介质射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质面上会产生反射，折射和波形转换等现象。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接受超声波。

完成这种功能的装置就是超声波物位传感器，也称超声波物位换能器或超声波探头。

超声波物位传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换成超声波，发射超声波；而在收到反射回来超声波波的时候，则将超声振动转换成电信号。

压电效应分为逆效应与顺效应，超声波物位传感器是可逆的元件，超声波的发送器利用的就是压电逆效的逆效应。

压电逆效应如图3.1所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形。

若在图3.1（a）所示的已极化的压电陶瓷上施加如图3.1（b）所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。

由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。

若外部施加的极性变反，如图3.1（c）所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。

图3.1压电逆效应图

3.2超声波物位传感器检测方式

（1）穿透式超声波物位传感器的检测方式

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100mm×100mm的方形板。

它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。

（2）限定距离式超声波物位传感器的检测方式

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）限定范围式超声波物位传感器的检测方式

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）回归反射式超声波物位传感器的检测方式

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。

这种超声波物位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。

3.3超声波物位传感器系统的构成

超声波物位传感器系统主要有发射电路，接收电路和控制部分等组成。

如图3.3所示

图3.3超声波物位传感器系统构成

4STC89C52单片机简介

单片机具有结构不复杂，控制能力强，可靠性高，性价比高，易于广泛的应用等优点。

单片机已经在很多领域得到了应用，如通信工具，智能家具，智能仪表等。

由于本设计使用STC89C52单片机为控制器，因而在设计之前先熟悉STC89C52单片机。

4.1单片机基础知识

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个固定逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，完成对实际装置的计算，控制等功能。

4.1.1单片机的内部结构

单片机虽然型号众多，但他们的结构却基本相同，主要包括中央处理器（CPU），存储器（程序存储器和数据存储器），定时/计数器，并行接口，串行接口和中断系统等几大单元。

4.2单片机的分类及发展

4.2.1单片机的分类

按单片机数据总线的位数进行分类，单片机主要分为4位，8位，16位和32位。

本设计使用的是STC公司的8位单片机。

4.2.2单片机的发展

单片机技术的发展是与微电子技术和半导体技术的发展是分不开的，具体分为五个阶段。

（1）（1971~1976年）：

初步阶段。

这一阶段，4位逻辑控制器件发展到8位，它们只含有微处理器，并配有RAM，ROM等。

代表产品有Intel4004,Intel8008等。

（2）（1976~1980年）：

低性能阶段。

这一阶段，在一块芯片上完成了8位CPU，并行I/O接口，定时/计数器，RAM，ROM等的集成。

代表产品有MC6800，Intel8048等。

（3）（1980~1983年）：

高性能阶段。

这一阶段，在原来单片机的基础上增加了中断系统，串口，A/D转换接口等功能模块，并提高了存储器的容量。

代表产品有Intel8051,MC146805等。

（4）（1983~1990年）：

16位机阶段。

这一阶段，CPU位16位，运算能力更强；代表产品有Intel8098等。

（5）（1990年至今）:

新一代单片机阶段。

这一阶段，单片机在结构，集成度，速度，功能，可靠性等性能指标上有了很大的变化。

代表产品有C8051F040，MSP430等。

4.3STC89C52单片机的简介

STC89C52单片机内部主要包含9个功能部件，即CPU（运算器，控制器和专用寄存器组），程序存储器（ROM和Flash存储器），数据存储器（RAM），定时/计数器，并行输入/输出（I/O）接口（P0~P3接口），全双工串行接口，中断系统，时钟电路和内部总线。

STC89C52单片机采用40引脚双列直插式封装（DIP）如图4.3所示

以下为STC89C52的各个引脚的功能

（1）主电源线

VCC（40引脚）：

接+5v电源正端。

GND（20引脚）：

接电源地端。

（2）外接晶体线

XTAL1（19引脚）：

接外部晶体振荡器的一端

XTAL2（18引脚）：

接外部晶体振荡器的另一端。

（3）I/O端口线

P0口（32~39引脚）：

P0.0~P0.7统称为P0口，是一个8位漏极开路型双向I/O端口，其中P0.7为最高位。

P0口可应用于两种不同的情况下：

在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，可作为准双向I/O端口，用于传输用户的输入/输出数据；在接片外存储器或扩展I/O接口时，当CPU访问片外存储器时P0口为地址/数据分时复用，即先传输片外存储器低8位地址，然后传送CPU对外存储器的读/写数据。

P1口（1~8引脚）：

P1.0~P1.7统称为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位准双向口，P1.7为最高位。

在52子系列单片机中，P1.0作为定时/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1作为定时/计数器2的外部控制端T2EX。

P2口（21~28引脚）：

P2.0~P2.1统称为P2口，也是一个带内部上拉电阻的8位准双向口，P2.7为最高位。

P2口具有两种功能，一种是可作为准双向I/O端口使用，另一种是与P0口配合，在外接片外存储器或扩展I/O端口且寻址范围超过256B时，用于传输片外存储器高8位地址。

P3口（10~17引脚）：

P3.0~P3.7统称为P3口，也是一个带内部上拉电阻的8位准双向口，P3.7为最高位。

P3口也具有两种功能，一是作为准双向口使用，此外P3口的每一条口线都有专门的第二功能。

（4）控制线

RST/VPD（9引脚）：

单片机复位/备用电源引脚。

该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。

上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源为内部RAM供电，以保证RAM中的数据信息不丢失，使复电后能继续正常运行。

PSEN（29引脚）：

片外的程序存储器的读选择信号，低电平时有效。

当访问片外的数据存储器时，该信号处于无效状态。

ALE/PROG（30引脚）：

地址锁存允许信号。

ALE在每个机器周期内输出2个脉冲，在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲信号或用于定时，此频率为振荡频率的1/6。

但要注意，在访问外部数据存储器期间，ALE会跳过一个脉冲，此时就不能作为时钟输出了。

EA/VPP（31引脚）：

EA为片外程序存储器选用端。

该引脚低电平有效时，只选用片外程序存储器，对于无片内程序存储器的8031，该引脚必须接地。

当EA端保持高电平时，选用片内程序存储器，PC值超过4KB/8KB时，将自动转向外部程序存储器。

在Flash编程期间，该引脚用于接12V的编程电源。

5超声波测距系统的设计

5.1超声波测距基本原理

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接受超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，也称超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

超声波测距时，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围的空气振动而工作的，超声波发射器开始向一个方向发射一束超声波，同时开启计时器计时，超声波通过空气介质传播，当遇到障碍物就马上反射回来，超声波接收器接受到反射回来的波就停止计时器。

因为超声波的传播速度一般为340m/s，再根据传播的时间t，就可以算出发射点距离障碍物的距离s，也就是s=340×t/2。

另外波速和温度有一定的关系，温度在0℃以上是温度和波速成正比，即温度越高，波速越大。

5.2超声波测距系统的设计与制作

5.2.1总体设计方案

本设计由STC89C52单片机，12864液晶显示模块，温度采集模块，超声波发射模块，超声波接受模块，报警模块，D/A转换模块，压频转换模块，电源模块组成，系统框图如图5.2.1所示。

图5.2.1超声波物位传感器系统框图

5.2.2单片机最小系统

52单片机的最小系统电路一般包括工作电源，振荡电路和复位电路等，单片机的最小系统电路如图5.2.2所示。

图5.2.2单片机最小系统电路

（1）单片机的工作电源

52单片机的40脚接5V电源，20脚接地，为单片机提供工作电源。

（2）单片机的复位电路

复位也就是把单片机的PC值初始化，52单片机的RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，当持续24个振荡脉冲周期的时间以上时即可复位；为了保证单片机系统非常可靠复位，复位电路必须保证引脚RST脚要有10ms以上的高电平。

只要引脚RST保持高电平，单片机就循环复位。

只有当RST引脚变为低电平的时候，单片机才退出复位。

复位操作一般有上电复位以及手动复位。

上电复位就是在上电时，通过一外接电容加给RST引脚一段时间的高电平，这个高电平随着Vcc对电容的充电而慢慢降低，也就是RST引脚的高电平持续的时间由电容的充电时间决定。

手动复位是要人为的在复位端RST引脚上加入高电平。

在RST引脚和Vcc引脚间加一个按钮，当按下按钮时，Vcc的+5V电平就直接加到RST引脚。

即使按下按钮的动作很快，也会使按钮保持达数十毫秒的接通，能保证复位的时间规定。

（3）单片机的时钟电路

时钟电路用于产生时钟信号，单片机本身是一个很复杂的时序电路，要使得工作同步，单片机必须有自己的时钟电路。

在单片机内有个高增益的反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在单片机的外部通过这两个引脚跨接电容和振荡器，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。

5.2.3超声波发射模块