矿用超声波物位传感器设计

张杰 江杰

摘 要：在实际生产中，原煤仓中煤位的测定有着重要意义。因此设计矿用超声波物位传感器，实现原煤仓中煤位测量的功能。本设计利用了超声波测距的原理，设计了以单片机AT89C52为控制核心的矿用超声波物位传感器，实现了原煤仓煤位测量的目的。硬件电路设计以单片机为控制器，由超声波发射电路、超声波检波接收电路、显示电路三部分构成。通过软硬件调试，完成了设计预定的目标。经过实验测试，本设计软硬件设计合理、抗干扰能力较强、实时性良好，经过系统扩展，在原煤仓煤位的测量方面具有实际意义。

关键词：AT89C52；矿用超声波；测距系统；CX20106A

一、绪论

在我国，煤炭是一种应用领域非常广泛的能源，在发电、蒸汽机车、建材、工业锅炉、生活用煤、冶金生产几方面的作用尤为突出。伴随科技飞速发展，煤炭开掘技术也将不断的成熟，继而煤的储量随之增加，原煤仓中煤位的测量就会具有重要的实际意义。矿用超声波物位传感器设计任务：

矿用超声波物位传感器用于测量原煤仓中的煤位，通过测量发射到接收的时间差，来计算煤位距离仓顶的距离，用以有效的了解原煤仓的储量，提高原煤仓的利用率，防止了煤位超标造成的事故也避免了不必要的资源浪费。测量的距离通过LED数码管显示，直观并且方便记录。

矿用超声波物位传感器设计要求：（1）硬件物理结构电路设计。（2）软件编写以及流程程序的编辑、运行。（3）仿真调试完成的硬件电路，软、硬件联调联试实现既定功能。

二、超声波测距原理

由于超声波具有指向性良好的特性，在某种介质中的传播速度恒定，因此超声最常用的功能是距离测量及定位。

假设超声波在空气介质中传播，任何障碍物都能反射、折射、吸收一部分通过它自身的声波，其比例与物体自身的均衡度有关。反射波的振幅与目标物体上能产生反射的表面成比例。影响反射波强度的主要因素是表面尺寸、形状、方位和目标物体的组成成份。发射的声波一部分到达物体表面后反射，一部分进入物体，在物质中传输，最终被遇到的物体界面反射。因此也可接收到来自物体内部的很细微的信号。

煤质是声波的传输的必要介质，声波在媒质中的传播的速度，称为声速。符号为c，单位为m/s。由声波产生的物理过程可以知道，声速与质点的速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并不使各自平衡位置附近振动的媒质质点运动。媒质的密度、温度等因素决定了声速在煤质中的传播速度，因气体单具备体积弹性，故纵波是气体中声波的传播形式。也就是说，在有声扰动的情况下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，在稠密和稀疏依次交替的过程中传播，而且声波传播的方向与质点运动的方向是同向的。

在较大频率范围内声速不会随频率发生较大变化，也就是说超声与可闻声波的传播速度是接近相同的，超声波在介质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律和可闻声波相同，较一般声波相，超声波具备更好的定向性，并且具备穿透不透明物质的属性。超声在一般流体媒质（气体、液体等）中的传播理论已然较为成熟。

由此可知，超声波在空气中的传播速度为：

c=331.4±0.61Tm/s

其中T为环境温度。在实际测量中，我们要根据实际的环境温度与声速的关系做温度补偿。

三、矿用超声波物位传感器设计的总体结构

因超声波具有强的指向性、缓慢的能量消耗速度、在媒介传播距离远的特性，因而测距系统常采用超声波技术。测量距离利用超声波技术，具有设计简便、计算方法简单、测量精度达标的特点。超声波测距系统结构简单，安装方便，相对于其他测距方式更适用于煤矿原煤仓的工作环境。

根据设计要求并综合各方面因素，本设计控制器（CPU）采用AT89C52型号单片机，动态扫描法实现LED数字显示的设计思路，完成了矿用超声波物位传感器的设计，实现测量原煤仓煤位的目标。

超声波发射器端发出的超声波以速度v在空气中传播，遇到被测物体时反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，再由d=s/2=vt/2即可算出被测物体的距离。

单片机AT89C52具有功耗较低、性能高效、片内由8KB Flash ROM 的8 位CMOS 組成，工作电压跨度范围2.7～6V（实际使用以+ 5V供电为准），八位数据总线。单片机AT89C52具备可编程全双工串行通信接口，并可同时进行串行发送、接收工作。通过RXD 引脚（串行数据接收端）和TXD 引脚（串行数据发送端）与外界进行数据的互通。正因单片机AT89C52具备以上特质，古选择它作为本次设计的微处理器。

四、调试及结果

Keil uVision3是本设计选用的调试软件，它的开发平台为微处理器软件，内嵌多种开发工具符合当前工业标准，可以完成从工程建立到管理、编译、连接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。用STC将程序编译好烧到单片机试运行。调试过程中，可以根据实际情况修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。

硬件调试的第一步是线路的检查。焊接完成后要仔细检查器件有否错焊、漏焊、虚焊，电解电容是否焊反，线路是否正确。检查无误后上电，这时，AT89C52、74HC04不插上。在正式上电前，用万用表测量电源与地是否短路。如果短路，要仔细检查、排除故障。第二步是发射和接收电路的检查，用函数信号发生器把40KHz的方波信号加到发射电路的输入端，用示波器检测超声波发射换能器是否有方波信号产生。再用函数信号发生器对超声波检波接收换能器加40KHz的方波信号，用示波器对检波接收电路输出端进行检测。如果检测结果不正确，要耐心检查电路以及超声波换能器的好坏。最后进行显示电路的检查，首先是检测各个器件的好坏，若器件完好，给单片机与数码管段码连接的各个引脚加高低不同的电平，再用一个高电平分别对位码进行检测，如果数码管能够显示，说明显示部分电路没有问题。以上检测完成后，硬件部分的调试就完成了。

参考文献：

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