如何使超聲波流量計(jì)又便于改進(jìn)和擴(kuò)充
文章出處：華仁儀表 發(fā)表時(shí)間：2017-12-02 10:20
江蘇華仁儀表有限公司 如何使超聲波流量計(jì)又便于改進(jìn)和擴(kuò)充
1 智能超聲波距離提示器
1 智能超聲波距離提示器
1．1 什么是超聲波測(cè)距
超聲波是指超過(guò)人的聽覺(jué)范圍以上(16KHZ)的聲波。近二、三十年,特別是近十年來(lái)，由于電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展，使超聲檢測(cè)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過(guò)程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性(聲速、衰減、反射、聲阻抗等)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量(如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等)的測(cè)定。它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同的界面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的聲時(shí)，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)定這些規(guī)律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況。與傳統(tǒng)超聲技術(shù)完全不同，新的超聲技術(shù)具有以下特點(diǎn)：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。
1．2 超聲波發(fā)生器的種類
為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電器方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，電器方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛，液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率，功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。雅典市超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。
它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間外未加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片做震動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為點(diǎn)信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受器了。
2 研究的意義
2.1 超聲波用于距離測(cè)量的優(yōu)勢(shì)
由于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，傳輸過(guò)程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線傳播，它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開的。
超聲波與一般聲波比較，它的振動(dòng)頻率高，而且波長(zhǎng)短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。
2.2 研究的意義
本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能超聲波測(cè)距，雖其在功能上是不能與商品的，高精度的智能超聲波測(cè)距儀相比的，但優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)規(guī)模較小，器件更換容易，成本低，有一定靈活性。但不適宜用于測(cè)量過(guò)于精確或者過(guò)大的距離，容易產(chǎn)生誤差。
3 研究的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 頻率發(fā)生
本設(shè)計(jì)中共用到了兩個(gè)重要的頻率,為了實(shí)現(xiàn)輸出頻率的精確性,在設(shè)計(jì)時(shí)用到了單片機(jī),因?yàn)轭l率發(fā)生電路是整個(gè)電路的核心,有單片機(jī)發(fā)生的頻率必須準(zhǔn)確,否則測(cè)得的距離顯示會(huì)產(chǎn)生很大誤差。在考慮整體方案的時(shí)候，也想到用一片單片集成電路來(lái)完成頻率信號(hào)的產(chǎn)生及其分類工作，也完全可以實(shí)現(xiàn)電路的功能，但是要想實(shí)現(xiàn)高精度要求，有些困難。最后還是選擇用單片機(jī)來(lái)完成頻率的產(chǎn)生工作。
第一個(gè)頻率，超聲波的發(fā)射中心頻率，信號(hào)本來(lái)就是40kHz，并由單片機(jī)的P3．0口輸出。這是由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器由軟件編程所產(chǎn)生，具體需要由程序來(lái)設(shè)定。
第二個(gè)頻率就是單片機(jī)進(jìn)行數(shù)碼顯示的計(jì)數(shù)頻率，在計(jì)算之前首先要明確我們要設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距精度是多少，而在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)精度為lcm，也是0.01m，超聲波發(fā)射器的聲波傳播到反射物，再由反射物反射到接收器，所傳播的距離為2倍測(cè)量距離，而大家知道，聲波在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下15℃的傳播速度為341m／s，因此，我們要設(shè)計(jì)成在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)超聲波所傳播的距離為0.02mm，這樣便可以計(jì)算出定時(shí)器的溢出頻率是341／0.02=17.05×；10 ，也就是17.05kHz，這樣在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所測(cè)的距離便為0.01m。N個(gè)周期所測(cè)的距離為N×；0.01m，N個(gè)周期有N個(gè)方脈沖，也就是說(shuō)，計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)N即為被測(cè)距離，不過(guò)其單位為0.01m，因此應(yīng)把計(jì)數(shù)顯示器的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)在百位數(shù)和個(gè)位數(shù)之問(wèn)，那么示值是以“米”為單位，其最大顯示值為9.99m。
4 設(shè)計(jì)方案
4.1 實(shí)現(xiàn)功能
本設(shè)計(jì)主要的實(shí)現(xiàn)功能如下：
由單片機(jī)產(chǎn)生頻率為40kHz的方波脈沖信號(hào)，超聲波發(fā)射端發(fā)出信號(hào)，遇到障礙物返回，被接收端接收到。由單片機(jī)計(jì)算出探頭與障礙物之間的距離，這就是被測(cè)距離。
技術(shù)指標(biāo)：
設(shè)計(jì)精度為lcm，也就是0.0lm?？蓽y(cè)量距離由0m至9.99m。
4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的基本組成包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)(89C2051)，LCD(數(shù)碼管顯示)，集成運(yùn)放(CX20106)，集成放大器(LM386)，超聲波發(fā)射，接收探頭。
4.3 系統(tǒng)方案
要使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常、順利的工作，就得有一個(gè)好的硬件和軟件。
本方案以單片機(jī)ATMEL 89C2051為核心，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對(duì)其外圍電路的適時(shí)控制，并提供給外圍電路各種所需的信號(hào)，包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)等等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于是采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去，而我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路板時(shí)就可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)目的焊接元件。
在初始方案設(shè)計(jì)時(shí)，我打算在超聲波發(fā)射端使用RS觸發(fā)器CD4013作為門控電路，當(dāng)R=1；(S=0)時(shí)復(fù)位，即Q=0；S=l(R=0)時(shí)置位，當(dāng)上電復(fù)位時(shí)，D觸發(fā)器CD4013的Q腳輸出低電平加到單片機(jī)的P3-3口，不啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，處于等待狀態(tài)。
在超聲波接收端設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)放大電路，采用兩級(jí)同相交流放大器，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，每一級(jí)放大了約20倍，這樣經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后，接收到的超聲波信號(hào)就被放大了幾乎是400倍，完全能夠被后續(xù)檢測(cè)電路檢測(cè)到。接收傳感器L2將反射的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，由放大器放大后再送到由U1B、U1C等組成的斯密特整形電路整理成規(guī)范的方脈沖。電阻R11和電位器R12為同相端提供直流偏置電位。需要注意的是這兩個(gè)直流偏置電阻的作用是相當(dāng)重要的，它可以很好地穩(wěn)定運(yùn)放 A741的直流工作點(diǎn)，不致于使其同相輸入端出現(xiàn)浮動(dòng)狀態(tài)，而造成輸入信號(hào)不穩(wěn)定。
由于本超聲波測(cè)距系統(tǒng)精度要求是lcm，故本人在進(jìn)行距離顯示電路部分的設(shè)計(jì)時(shí)用到了三個(gè)數(shù)碼管，其可以顯示范圍為0．Olm至9．99m，為了節(jié)省硬件開銷，本距離顯示電路沒(méi)有使用譯碼器，而是直接有效地利用了單片機(jī)的有限端口來(lái)進(jìn)行譯碼顯示，但是最后由于仍然缺少一個(gè)端口，故用到了一個(gè)二一四譯碼器74LS139。
經(jīng)過(guò)老師指導(dǎo)，對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，將原超聲波發(fā)射電路改成用芯片LM386發(fā)射，不使用原有的門控電路。原超聲波接收電路改成用集成CX20106，省掉了之前的放大電路。由于采取了系統(tǒng)優(yōu)化方案，大大節(jié)省了單片機(jī)的接口，原本因?yàn)閱纹瑱C(jī)機(jī)接口不夠而擴(kuò)展的74LS139芯片被省略，數(shù)碼管位選直接接在單片機(jī)接口上。這些優(yōu)化大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和焊接時(shí)的困難度。
在軟件方面采用C語(yǔ)言來(lái)編程，用C語(yǔ)言來(lái)編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。
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