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1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目：题目： 基于多传感器融合的复杂边界 液面高度测量装置的研究 题目：基于多传感器融合的复杂边界 液面高度测量装置的研究 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 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 在工业测距场合中，由于工作要求和复杂环境的限制，常常采用非接触测距的方 法，非接触式测距方式可以完成许多接触式测距手段无法完成的检测任务。如化工、 石油等企业总是有许多贮放液体的储槽、容器需要测定液位。液位反映储量，准确的 液位测量是实现生产与过程控制的重要参数。 本文采用的是超声波测
2、距的原理，超声波测距技术是近年来出现的测距新技术, 是 一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、 被测对象颜色等影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣 的环境下有一定的适应能力。 本文主要讨论了以下几个方面： 1、详细介绍了超声波测距的相关原理。 2、探讨了影响超声波测距精度的因素及一些解决办法。 3、基于 STC89C52 单片机的液面测距系统的设计，采用了三点测量液位的方法， 经过多次测量，减小随机误差。 关键词：液面测距；超声波测距；HC-SR04；超声波传感器；DS18B20 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 BA
3、SED ON MULTI-SENSOR FUSION OF COMPLEX BOUNDARY LIQUID SURFACEHEIGHT MEASUREMENT DEVICE RESEARCH ABSTRACT In the situation of industrial distance measurement, because of the job requirements and complex environmental restrictions, it is often used the non-contact method to measure distance.Non-contac
4、t distance measurement can complete many tasks that contact measure- ment cant complete ,Such as to measure the liquid level of store tanks and liquid containers that often used in chemical and petroleum fileds.Accurate result of level measurement is the most important parameter to achieve productio
5、n and process control. In this paper, measurement of distance is based on the principle of ultrasonic rangeing.Ultrasonic ranging technology is a non-contact detection method that new technology that appear in recent years.Compared with other methods,such as electromagnetic or optical method, it can
6、 avoid being influenced by the light or color of the tested object.When be measured in severe conditions ,for example,in dark,dusty, electromagnetic interference and toxic,ultrasonic ranging have a certain ability to adapt to the environment. This paper mainly discusses the following respects: 1, So
7、me related theory about ultrasonic ranging. 2, The factors of influence the accuracy and solutions of ultrasonic ranging. . 3,Design of. liquid surface distance measuring system that based on the STC89C52 single chip microcomputer. Key words:Liquid surface ranging ;ultrasonic ranging ;HC-SR04 ultras
8、onic sensor DS18B20 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 目 录 1 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 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 7 2.4 影响超声波测量精度的因素 8 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 影响超声波测量计时准确性的因素 9 2.5 减小误差的方案 .11 2.5.1 基于多传感器的多点测量 .11 2.5.2 回波信号放大整形 .12 2.5.3 回
9、波信号前沿分析法 .12 2.5.4 回波信号的包络检测法 .13 3 3 系统的硬件设计 .15 3.1 系统的总体方案15 3.2 硬件设计 .15 3.2.1 STC89C52RC 单片机.15 3.2.2 稳压电路 .18 3.2.3 超声波探头组 .18 3.2.4 温度校正模块 .20 3.2.5 显示模块 .25 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 4 系统的软件设计 .26 4.1 系统的软件总体设计 .26 4.2 超声波发射与接收控制 .27 4.3 温度矫正模块 .28 4.4 显示模块 .28 5 系统调试及结果分析 .30 5.1 系统调试结果与分析 .
10、30 5.2 系统误差分析 .32 5.2.1 温度因素32 5.2.2 定时器因素 .32 5.2.3 单片机运算精度的因素 .32 5.3 系统的改进和总结 .33 参考文献 .35 致谢 .37 附录 .38 附录 A 源程序38 附录 B 电路原理图 47 附件 1 设计（论文）开题报告47 附件 2 文献翻译47 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 0 页 共 55 页 1 绪论 1.1 课题背景及意义 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，非接触式测距方法可以完成许多用接触式测距手段无法完成 的检测任务。在石
11、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；采沙、水泥工厂需要实时监控容器中物位高度。所以，精确的液位 测量结果，是过程控制和实现生产的重要指标，实时测量和记录液位十分重要。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。 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、激光液位测量、雷达液位测量、浮子式
12、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。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 1 页 共 55 页 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。较典型的液位开关有三种：一是利用空气和液体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
13、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2。 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
14、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
15、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3提出了基于最小均方自适应时延估计( LMSTDE) 的算法。该算 法减小了信道由于斜向入射对输出信号的影响，消除了实际换能器与理想换能器之间 的频率特性差，使整个系统保持平坦的频率响应，并且输出均方误差最小。赵海鸣等 4提出通过整形放大确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 1 页 共 47 页 弱变化而造成的测量时间的误差，从而提高测量精度。付华等5提出利用 Elman 反 馈神
16、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。Elman 网络隐层采 用了“tansig”激活函数，输出层选用了“pureline”激活函数，从而只要有足够的 隐层神经元个数，网络就能够以任意精度逼近任意函数。该方法在对超声波测距传感 器进行温度、湿度补偿后，其测量精度提高了两个数量级。陈先中等6基于能量重心 校正法和最小二乘法的原理，提出了一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，通过 曲线拟合搜索回波信号能量集中点-椭圆中心点，进而找到回波信号的峰值点。与包 络线法和三次多项式法相比，此算法相对误差稳定在 0. 2%，适用于高精度工业测量。 光纤液面高度测量技术是最近十年出现的一种新技术，从目前已知的国内外已公 开的光纤液位测量技术来看，其所采用的具体方法各不相同。如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7。光纤光栅是最近几年迅速 发展的光纤无源器件之一，由于其具有许多独特的优点，使得它成为目前有着很好发 展前景
