基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究学士学位论文Word下载.docx
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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
液面高度测量在工业应用中十分广泛，但目前市场的测量装置很少考虑液面高度不一致的问题。
本设计在大量文献调研的基础上，采用三个超声波测距传感器共同测量液位高度，解决了液面高度不一致时的平均高度测量问题。
在本文中详细讨论了超声波测距的相关原理，探讨了影响超声波测距精度的因素及一些解决办法；
提出了通过三点测量液位，经过数据处理，得到不一致液面高度的平均高度测量的方法；
完成了基于STC89C52单片机的液面高度测量系统的研制，最终通过系统改进，使得测量误差保持在2cm以内；
利用研制的装置完成了大量的实验，对实验数据进行了处理和分析，提出了设计的改进意见。
关键词：
液面测距；
超声波测距；
HC-SR04；
超声波传感器；
DS18B20
THERESEARCHBASEDONMULTI-SENSORFUSIONOFCOMPLEXBOUNDARYLIQUIDSURFACEHEIGHTMEASUREMENTDEVICE
ABSTRACT
Liquidsurfaceheightmeasurementiswidelyusedinindustrialapplications,butthecurrentmeasuringdevicesinmarketseldomconsiderthesituationthatliquidsurfaceheightnotconsistent.Thisdesignisbasedonalargenumberofliteratureresearch,usingthreeultrasonicsensorstomeasurethe
distance，solvingtheaverageheightmeasurementproblemthatliquidsurfaceheightnotconsistent.Inthisdesign,wehaveadetaileddiscussionofrelevantprinciplesofultrasonicranging,discussingtheinfluencefactorsoftheultrasonicrangingaccuracyandputforwardsomesolutions.Alsoweputforwardamethodtomeasuretheaverageliquidsurfaceheight,throughmeasuringthreepositions’heightsofliquidlevelanddataprocessing,finallyobtaintheaverageheightoftheliquidsurfacewithaninconsistentliquidsurface.BasedonthesinglechipmicrocomputerSTC89C52tocompleteadesignofliquidsurfaceheightmeasurementsystem,ultimatelythroughsystemimprovement,themeasurementerroriskeptwithin2cm.Usingthedevelopeddevicetocompleteexperiments,andprocessingandanalysingtheexperimentaldata,alsoputforwardsomesuggestionsforthedesignimprovement.
Keywords:
Liquidsurfaceranging;
ultrasonicranging;
HC-SR04ultrasonicsensorDS18B20
目录
1绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2国内外研究现状1
1.3论文的主要研究内容3
2系统总体设计5
2.1系统设计思想5
2.2超声波的传播6
2.3超声波测距原理6
2.4复杂液面条件下影响超声波测量精度的因素7
2.4.1空气温度因素8
2.4.2液位波动和液面表面杂质的因素9
2.4.3超声波传感器之间的回波干扰9
2.4.4影响超声波测量计时准确性的因素10
2.5减小误差的方案12
2.5.1基于多传感器的多点测量12
2.5.2超声波传感器错序工作12
2.5.3回波信号放大整形12
2.5.4回波信号前沿分析法13
2.5.5回波信号的包络检测法14
3系统的硬件设计16
3.1系统的总体方案16
3.2硬件设计16
3.2.1STC89C52RC单片机16
3.2.2稳压电路19
3.2.3超声波探头组19
3.2.4温度校正模块22
3.2.5显示模块26
4系统的软件设计27
4.1系统的软件总体设计27
4.2超声波发射与接收控制28
4.3温度矫正模块29
4.4显示模块30
5系统调试及结果分析31
5.1系统调试结果与分析31
5.2系统误差分析33
5.2.1温度因素33
5.2.2定时器因素33
5.2.3单片机运算精度的因素34
5.3系统改进后结果34
5.4系统设计总结36
参考文献37
致谢39
附录40
附录A系统源程序40
附录B电路原理图40
附件1：
毕业设计开题报告40
附录2：
外文文献翻译40
1绪论
1.1课题背景及意义
液面高度测量在工业应用中十分广泛，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。
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。
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]。
虽然现在非接触式的液面测距方法很多，但目前市场的测量装置很少考虑液面高度不一致的问题，这就需要研究用于测量复杂边界液面高度的系统装置。
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、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，但大多数装置还是基于液面平稳时的液距测量，很少考虑到液位不一致时的复杂边界液面高度的测量[2]。
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。
目前，广泛采用的液位开关主要有三种类型：
一是利用介质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[3]。
超声波测距技术是一种新的测距技术。
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［4］提出了基于最小均方自适应时延估计（LMSTDE）的算法。
通过该算法能够消除实际超声波换能器与理想换能器之间的频率特性差，使得整个测量系统能够维持平坦的频率响应，并且输出最小的均方误差。
赵海鸣等［5］提出了整形放大确定回波前沿的测量方法，由于随着测量距离的变化回波信号能量发生变化，从而造成测量时间误差。
通过确定回拨前沿，能够在一定程度上消除时间测量误差，从而提高测量精度。
付华等［6］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。
只要有足够的隐层神经元个数，Elma反馈神经网络就能够以任意精度逼近任意函数，该方法能使其测量精度提高两个数量级。
陈先中等［7］在最小二乘原理和能量重心校正法的基础之上，提出一种基于寻改进型椭圆中心的算法确定超声回波峰值，通过最小二乘曲线拟合来搜索回波信号的峰值即椭圆中心点，与包络线法相比，此算法相对误差能够稳定在0.2%，适用于高精度化工距离测量。
光纤液面高度测量技术是最近十年出现的一种新型液面距离测量技术，目前已知的光纤液位测量技术所采用的具体方法各不相同，具体有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[8]。
光纤液面高度测量普遍采用光纤光栅技术，光纤光栅是最近几年迅速发展的光纤无源器件之一，具有众多独特地优点。
当周围环境像压力、应变、温度等发生改变时，使得光纤光栅的栅距和折射率也会发生相应的变化，致使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。
通过检测光纤光栅反射谱、透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。
温度、应变和压力的变化都能光纤光栅发生相应的改变，因此，如何在变化中区分出不同的变化，取出温度、应变和压力信号，这是光纤光栅传感器在普遍应用之前必须解决的一个问题[9][10]。
虽然光纤液面高度测量所采用的光纤光栅技术在传感应用中具有一系列的优点，但目前也仅限于实验室阶段，在工业上的液面高度测量这种方法还并不普遍。
光纤光栅在实际应用中也面临着一些难题，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[11]。
1.3论文的主要研究内容
由于工作要求和复杂环境的限制，在工业测距场合中，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。
本设计在大量文献调研的基础上，采用三个超声波测距传感器解决了液面高度不一致的平均高度测量问题。
本设计主要进行了以下几个方面的工作：
1、详细讨论了超声波测距的相关原理，探讨了影响超声波测距精度的因素及一些解决办法。
2、提出了通过三点测量液位，经过数据处理，得到不一致液面高度的平均高度测量的方法。
3、完成了基于STC89C52单片机的液面高度测量系统的研制，最终通过系统改进，使得测量误差保持在2cm以内。
4、利用研制的装置完成了大量的实验，对实验数据进行了处理和分析，提出了设计的改进意见。
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系统设计结论。
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
按系统设计要求，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，最后基于一定算法，实现复杂边界液面条件下所测距离的最佳精确，所测的实时液位高度满足
。
其中，S1、S2、Sn为n点测量的距离，f是算法函数。
图2-1复杂边界液面的多点测量示意图
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
人的耳朵能分辨在20HZ~20KHZ之间的声波频率，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。
发射的超声波频率和周期T通常只和触发超声波的声源振动频率和周期有关，因此超声波的频率和周期是与介质本身特性无关的量[12]。
超声波的波长是指超声波的波峰与波峰（或波谷与波谷）之间的距离，波长与频率成反比，与速度成正比，关系如（2-l）所示。
（2-1）
在公式2-1中，λ为超声波波长;
C为超声波传播速度;
f为超声波的频率。
超声波的传播速度C和声波波形只与传播介质的弹性常数及介质密度有关。
在相当大的频率范围内，速度和频率变化无关，即不同频率的超声波在相同的传播介质中速度相同。
超声波是借助于传播介质的分子运动而传播的，在传播过程中，由于空气分子运动摩擦、空气中杂质等原因，超声波能量在传播过程中被吸收损耗，超声波能量会发生衰减，衰减系数与超声波所在介质及频率的关系为:
（2-2）
在公式2-2中:
α为衰减系数;
a为介质常数;
f为振动频率。
由此可以看出，当频率越高时衰减系数越大，，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系统设计的一个至关重要的问题。
当使用的超声波频率较小时，尽管衰减系数较小，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，应该综合考虑测量精度和接收时的强度这两个方面的因素。
本文设计的系统通过参数比较后，为了达到测量精度的要求，也满足接受强度等一系列条件，选用了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
陶瓷的压电效应是超声波传感器工作的基本原理。
给超声波传感器一个电脉冲信号之后，超声波发射探头便发出与电脉冲频率相同的超声波信号，后经固体或液体物体表面反射后折回，回波信号的振动能量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，超声波测距系统基本上采用回波法，通过接收和分析回波信号测量出整个超声波的飞行时间，从而实现距离的测量。
根据超声波传感器工作方式的不同，可分为一发一收双传感器方式和自发自收单传感器方式；
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，从下向上定向朝液面发射超声波，超声波到达液面后，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，液介式不易于安装和维护此设备。
气介式[13]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。
气介式超声波测距的基本原理如图2-2所示。
首先，超声波传感器向空气中发射超声波脉冲，超声波在遇到被测液面后反射回来，若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
，即可算得传感器与反射点间的距离s[14]。
测量距离
，若
时，则d≈s；
若采用收发同体传感器，故h≈0，则
图2-2超声波测距原理
2.4复杂液面条件下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，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
对于气介式超声波测距系统而言，已产生的超声波借助于空气以纵波的形式平行于振动面传播。
由于气体具有扩张和反抗压缩的弹性性质，在空气分子受到超声波振动面交替的扩张与压缩时，空气分子具有自恢复力，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。
在空气气压、湿度、温度、密度等因素发生改变时，超声波在空气中的传播收到影响，超声波的速度发生改变。
与其他环境因素的影响，大气温度对超声波速度C的影响最为明显。
超声波在空气中的传播速度与当前空气温度的关系式如式（2-3）所示。
（2-3）
其中，γ：
表示气体定压热容和定容热容的比值，在空气中为常量1.40。
R：
表示气体普适常量，在空气中为8.341kg.mol-1.k-1。
M:
表示气体分子量，在空气中为28.8*10-3kg.mol-1。
由公式2-3我们可以计算出在不同气温下的超声波速度，例如:
当温度为T=293K
（20℃）时，此时超声波速度为C=344.1m/s。
在空气中，温度因素相较于其他因素而言，对超声波速度的影响最大。
一般上，可近似认为[15]：
（2-4）
式中：
T为空气温度（℃）。
从公式2-4中可以推导，在1m的测量距离中，温度误差10℃，超声波速度变化6m/s，大约能造成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。
在测量距离较小时，为把测量精度控制在厘米范围内，则温度的分辨率应达到1℃。
根据式2-4关系可以得出在空气中超声波速度随温度变化的关系曲线图，如图2-3所示。
由图中我们可以得知，当温度T从小变大，从0℃到变化到40℃时，温度将会导致超声波在空气中的速度产生+8%变化，即相差24m/s。
因此，为了提高测量精度减小误差，提高系统对周围环境温度的适应，必须根据当前环境温度对超声波速度进行实时修正，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，不平整的复杂液面使超声波的反射方向发生改变，从而减弱超声波回波信号。
可以采用多点测量的办法，在一定时间内，多次采样后求平均来使测量值接近真值。
采样点越多，采集的时间越长、数据越多，则测得液位越精确。
为了
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