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1、基于超声波的液位测距仪设计 课程名称：智能系统与工程 课程性质：智能科学与技术专业必修课 主讲人：许晓飞 自动化学院 智能科学与技术系 2010年11月,一、设计思想,在针对学校设计型实验教学大纲要求和智能科学与技术专业培养计划，结合专业课程设计智能系统与工程教学任务，教师精心设计“基于超声波的液位测距仪设计” ，教学过程中注重引导和培养学生的参与设计动手能力，同时加强对每个学生实验过程的监管力度，在考核方式上鼓励学生深入钻研创新。,超声波液位计工作原理,二、本设计型方案的产生流程,针对智能科学与技术专业对前沿技术的基本要求，结合课程培养计划教师提前开课两年，主动调研学习，找出能借鉴可操作性强
2、相关科技论文、博士硕士论文等资料加以实践论证。,结合毕业设计的要求，提前一年作毕业设计，与学生交流反馈，把实验的最低要求和创新空间具体化和针对学习被动的学生“傻瓜化流程和代码可读性”，形成成熟的实验指导书。,引导同届学生中的优秀同学先行了解实验基本要求，每一步都有提前反馈不可预料调试问题的解决，进一步充实教师的智能指导，即教师大脑里有实验充足的故障诊断系统。,制作全程实时调试的关键技术的视频文件，播放给大家看看,三、教学过程设计及过程考核,基本要求：便携式、超声波传感器、智能处理的一级数据融合：即根据对多点测量温度数据或时间段测量数据进行数据融合处理，包括如加权平均、坏点去除等，实现实时温度补
3、偿；智能处理的二级融合：基于知识型的专家系统诊断，包括如报警功能、基于最小二乘法的机器学习的系统输出。 请根据基本要求，设计相应的电路图+书面报告（5分），在protel软件中搭建电路和测试+书面报告（10分），如做PCB板，且有一定可取之处（附加10分） 在已加工好的PCB板，成功焊接电路板+书面报告（5分） 编写单片机最小系统测试程序，并成功测试焊接好电路板+书面报告（10分）； 完成智能处理的一级数据融合的程序编写及测试+书面报告（20分）； 完成智能处理的二级数据融合的程序编写及测试+书面报告（30分）； 完成便携式超声波液位计的研制的设计型实验报告，包括实验目的、实验原理、实验步骤及
4、内容、实验数据、科学实验数据处理、实验调试过程故障排除、实验思考题及解答+书面报告（20分）,设计概述,图1 系统总体设计框图,DRLAB 实验台 演 示 实 验 整 体 效 果 图,演示实验练习,程序框图：,系统硬件的优化实现,硬件分解成如下模块： 单片机最小系统测试,先焊接出单片机最小外围电路，包括：单片机芯片+测试发光二极管（p1.0p1.4，加个开关）+电源模块（指示灯和开关），如图所示：,软件编写如下：,显示模块: LED或液晶,超声波的收发模块: LED或液晶,深入研究的问题与方法,问题1：温度补偿 解决方法: 本系统温度补偿采用DS18B20数字温度计，不需要进行模数转换，通过软
5、件编译，直接将温度输出到单片机上。同时单片机计算当前温度的声速，从而实现补偿。,问题2：测量盲区的研究 解决方法：发射信号结束时，信号存在衰减震荡，通常叫做“拖尾”。“拖尾”与发射功率和介质性质有关。一般在1ms-2.5ms之间，在这段时间内，“拖尾”与回波信号无法区分，这段时间的长短决定了盲区的大小。单探头可以使不用考虑角度误差，但是余震信号较大，盲区较大。本设计采用的是双探头。 发射电路的上拉电阻 R10、R11可以增加超声波换能器的阻尼效果 ，缩短其自由振荡的时间。 支架的高度的设置要远高于盲区，这样有助于减小误差，也利于在实际测量中回避盲区。,深入研究的问题与方法,问题3: 本设计并没
6、有将驱动电压放大到20V，致使超声波发射的超声波的强度不高，因此测量距离也受到了一定的限制;忽略了超声波接收与发射两个换能器和液面之间的夹角。在受空间的限制的场合应用性不强。 方法: 研究智能算法,包括机器学习、BP神经网络等成功应用，提高该系统的精度。,深入研究的问题与方法,超声波液位计的系统设计,设计方案的可行性及特色,1）针对专业课程设计智能系统与工程的教学任务、教学重点和实验仪器设备特点，设计本实验强调与课程理论教学内容的紧密结合，尤其是超声波检测用于工业不接触式测量，以及机器人等智能设备的自动避障系统，实现涉及到技术知识与技能是智能检测技术的前沿基础； 2）学生通过教师引导和鼓励，克
7、服心理弱势，按照教师自编口诀、“傻瓜流程入门手册”、查错技巧和调试诊断经验库，尤其是汇总调试宝贵经验，制作实录的全程设计编译视频 文件清晰，可供学习的同学反复播放观摩,促使基础薄弱的同学敢于动手； 3）学生得出了自己的结论，设计出理论课堂上的推理结论，培养提高了学生实验技能和对理论设计的进一步认识； 4）同时设计方案严格把握课堂进程和时间安排，实验内容安排按照系统的数据流输入到输出逻辑通道，重点突出； 5）在该设计型实验教学中得到了学生认可，同时鼓励学生创新，严格监控实验过程； 6）可操作性方面把握“绝不让一个学生落下”的教学基本理念，该设计方案具有一定的科学性、可行性和创新性。,谢谢大家！,
