礦用超聲波物位傳感器設計

張杰 江杰

摘 要：在實際生產中，原煤倉中煤位的測定有著重要意義。因此設計礦用超聲波物位傳感器，實現原煤倉中煤位測量的功能。本設計利用了超聲波測距的原理，設計了以單片機AT89C52為控制核心的礦用超聲波物位傳感器，實現了原煤倉煤位測量的目的。硬件電路設計以單片機為控制器，由超聲波發射電路、超聲波檢波接收電路、顯示電路三部分構成。通過軟硬件調試，完成了設計預定的目標。經過實驗測試，本設計軟硬件設計合理、抗干擾能力較強、實時性良好，經過系統擴展，在原煤倉煤位的測量方面具有實際意義。

關鍵詞：AT89C52；礦用超聲波；測距系統；CX20106A

一、緒論

在我國，煤炭是一種應用領域非常廣泛的能源，在發電、蒸汽機車、建材、工業鍋爐、生活用煤、冶金生產幾方面的作用尤為突出。伴隨科技飛速發展，煤炭開掘技術也將不斷的成熟，繼而煤的儲量隨之增加，原煤倉中煤位的測量就會具有重要的實際意義。礦用超聲波物位傳感器設計任務：

礦用超聲波物位傳感器用于測量原煤倉中的煤位，通過測量發射到接收的時間差，來計算煤位距離倉頂的距離，用以有效的了解原煤倉的儲量，提高原煤倉的利用率，防止了煤位超標造成的事故也避免了不必要的資源浪費。測量的距離通過LED數碼管顯示，直觀并且方便記錄。

礦用超聲波物位傳感器設計要求：（1）硬件物理結構電路設計。（2）軟件編寫以及流程程序的編輯、運行。（3）仿真調試完成的硬件電路，軟、硬件聯調聯試實現既定功能。

二、超聲波測距原理

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

假設超聲波在空氣介質中傳播，任何障礙物都能反射、折射、吸收一部分通過它自身的聲波，其比例與物體自身的均衡度有關。反射波的振幅與目標物體上能產生反射的表面成比例。影響反射波強度的主要因素是表面尺寸、形狀、方位和目標物體的組成成份。發射的聲波一部分到達物體表面后反射，一部分進入物體，在物質中傳輸，最終被遇到的物體界面反射。因此也可接收到來自物體內部的很細微的信號。

煤質是聲波的傳輸的必要介質，聲波在媒質中的傳播的速度，稱為聲速。符號為c，單位為m/s。由聲波產生的物理過程可以知道，聲速與質點的速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動形式和能量的傳遞，并不使各自平衡位置附近振動的媒質質點運動。媒質的密度、溫度等因素決定了聲速在煤質中的傳播速度，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，在有聲擾動的情況下，氣體媒質中的質點在各自平衡位置附近運動，在稠密和稀疏依次交替的過程中傳播，而且聲波傳播的方向與質點運動的方向是同向的。

在較大頻率范圍內聲速不會隨頻率發生較大變化，也就是說超聲與可聞聲波的傳播速度是接近相同的，超聲波在介質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律和可聞聲波相同，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的屬性。超聲在一般流體媒質（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為環境溫度。在實際測量中，我們要根據實際的環境溫度與聲速的關系做溫度補償。

三、礦用超聲波物位傳感器設計的總體結構

因超聲波具有強的指向性、緩慢的能量消耗速度、在媒介傳播距離遠的特性，因而測距系統常采用超聲波技術。測量距離利用超聲波技術，具有設計簡便、計算方法簡單、測量精度達標的特點。超聲波測距系統結構簡單，安裝方便，相對于其他測距方式更適用于煤礦原煤倉的工作環境。

根據設計要求并綜合各方面因素，本設計控制器（CPU）采用AT89C52型號單片機，動態掃描法實現LED數字顯示的設計思路，完成了礦用超聲波物位傳感器的設計，實現測量原煤倉煤位的目標。

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

單片機AT89C52具有功耗較低、性能高效、片內由8KB Flash ROM 的8 位CMOS 組成，工作電壓跨度范圍2.7～6V（實際使用以+ 5V供電為準），八位數據總線。單片機AT89C52具備可編程全雙工串行通信接口，并可同時進行串行發送、接收工作。通過RXD 引腳（串行數據接收端）和TXD 引腳（串行數據發送端）與外界進行數據的互通。正因單片機AT89C52具備以上特質，古選擇它作為本次設計的微處理器。

四、調試及結果

Keil uVision3是本設計選用的調試軟件，它的開發平臺為微處理器軟件，內嵌多種開發工具符合當前工業標準，可以完成從工程建立到管理、編譯、連接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發流程。用STC將程序編譯好燒到單片機試運行。調試過程中，可以根據實際情況修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。

硬件調試的第一步是線路的檢查。焊接完成后要仔細檢查器件有否錯焊、漏焊、虛焊，電解電容是否焊反，線路是否正確。檢查無誤后上電，這時，AT89C52、74HC04不插上。在正式上電前，用萬用表測量電源與地是否短路。如果短路，要仔細檢查、排除故障。第二步是發射和接收電路的檢查，用函數信號發生器把40KHz的方波信號加到發射電路的輸入端，用示波器檢測超聲波發射換能器是否有方波信號產生。再用函數信號發生器對超聲波檢波接收換能器加40KHz的方波信號，用示波器對檢波接收電路輸出端進行檢測。如果檢測結果不正確，要耐心檢查電路以及超聲波換能器的好壞。最后進行顯示電路的檢查，首先是檢測各個器件的好壞，若器件完好，給單片機與數碼管段碼連接的各個引腳加高低不同的電平，再用一個高電平分別對位碼進行檢測，如果數碼管能夠顯示，說明顯示部分電路沒有問題。以上檢測完成后，硬件部分的調試就完成了。

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