基于单片机的超声波流量计毕业论文.doc

毕业设计说明书基于单片机的超声波流量计摘 要测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表，流量计是工业测量中重要的仪表之一。超声波流量计与以往传统的流量计相比，具有很多优点，是一种非常理想的节能型流量计。 本设计在查阅大量文献资料的基础上，选择了时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究。主要进行了以下的详细研究：1. 研究了时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中传播特性及超声波换能器的特性及安装选择进行了深入研究；2. 在测量精度的提高方面，讨论并采用了超声波时差测量的新方法多脉冲测量法。3. 对流量计的硬件电路及软件编程进行了详细的设计分析关键词：超声波流量计；单片机；超声波换能器；时差法；多脉冲声循环法The ultrasonic flowmeter based on Monolithic integrated circuitAbstractThe appliance to measure the rate of fluid flow is generally called flowmeter or flow indicator and is an important appliance in industrial measurements. Compared with traditional flowmeter, the ultrasonic flowmeter has many advantages. This design based on mass research of data and finally took the travel-time-difference method ultrasonic flowmeter as the object of study and made deep theoretical research of how to improve the accuracy, stability and reliability of the system. 1. Studies on the measurement principles of travel-time-difference method ultrasonic flowmeter were made. The dissemination features of ultrasonic wave in fluid and the features of Ultrasonic wave transducer and the choice of different methods of installation. 2. From the aspect of the enhancement of measure accuracy, it discussed the new method of travel-time-difference-multi-beams measurements and further put it into application.3. Detailed design and analysis of the hardware circuit and software programming of the flowmeter were made. Key words: ultrasonic flowmeter；Monolithic integrated circuit；ultrasonic transducer； travel-time-difference method；multi-beams Sound cyclic method目 录摘 要IAbstractII第一章 概述11.1 超声的相关概念11.1.1 超声的相关概念11.1.2 超声的研究发展和应用11.2 流量计的发展历史及现状21.3 流量计的分类及特点31.4 超声波流量计概述31.4.1 超声波流量计的发展及现状31.4.2 超声波流量计的特点31.4.3 超声波流量计两种主要测量原理及对比4第二章 超声波流量计的总体设计52.1 超声波换能器概述52.1.1 超声波换能器能量转换原理52.1.2 超声波换能器的类型及主要性能指标52.2 超声波换能器的选择及设计72.2.1 超声波换能器的主要参数72.2.2 超声波换能器的选择82.2.3 超声波换能器的安装方式及选择82.3 时差法测量原理及影响测量的主要因素92.3.1 Z型安装方式时差法测流量的测量原理92.3.2 影响测量的主要因素112.3.3 V型安装方式时差法原理介绍112.4 多脉冲测量原理12第三章 超声波流量计一次仪表部分硬件设计153.1 超声波发射电路的选择与设计153.2 超声波接收信号调理电路选择与设计163.2.1 一级放大电路163.2.2 带通滤波电路173.2.3 二级放大电路18第四章 超声波流量计二次仪表部分硬件设计194.1 系统工作原理概述194.2 芯片资料214.2.1 总线收发器74LS245214.2.2 计数器74S196214.2.3 4040CMOS12级二进制计数分频器224.2.4 AT89C51234.3 超声波顺流逆流发射接收控制电路254.4 计数电路原理概述264.5 从单片机的作用及选择274.6 主单片机的作用及选择284.7 显示电路284.7.1 LED显示器的结构和原理284.7.2 共阴极LED结构及静态显示原理284.8 键盘电路304.9 看门狗电路314.10 主单片机与从单片机的通信接口324.10.1 主从单片机通信的作用324.10.2 主从单片机的连接方法32第五章 系统软件设计345.1 软件系统结构总述345.2 主单片机软件设计345.3 从单片机软件设计355.3.1 从单片机的软件流程图355.4 主从单片机数据发送子程序流程365.5 键盘子程序375.5.1 键盘行列扫描主程序流程图375.5.2 键盘扫描子程序流程图385.5.3 按键预处理子程序流程图395.5.4 按键处理子程序流程图395.6 超声波换能器发射接收切换控制流程图415.7 设计程序仿真调试过程41结 论43参 考 文 献44附 录 A46附 录 B47致 谢62 第一章 概述1.1 超声的相关概念1.1.1 超声的相关概念我们生活的世界充满了各种声信号，人们可听到的声音频率为20Hz一20KHz，即为可听声波，超出次频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波；频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波，或称超声。声波的速度越高，越与光学的某些特性如反射定律、折射定律相似。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同，一般分为横波、纵波和表面波。质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播；质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波，它只能在固体中传播；质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波，表面波只在固体地表面传播。1.1.2 超声的研究发展和应用超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(paulLangevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。1.2 流量计的发展历史及现状数千年前，人们为了适应农业灌溉和水利的需要，就已经开始关注流量测量问题，古埃及就已经出现了堰的雏形1。在现代工业领域，流量测量仪表是工业自动化仪表和装置中的大类仪表之一，在各方面有广泛的应用，是发展工农业生产、节约能源、改进产品质量、提高经济效益和管理水平的重要工具，无论在商业贸易和工业生产中，对流体流量计量的需求都在不断增长2。 流量计在国外的发展较快，几个工业发达国家均有相当数量的流量仪表生产厂家，有专业生产多品种的流量仪表的综合大型企业，也有专业生产品种单一性能独特的流量仪表小型企业，数量上以后者居多。目前美国有200余家，英国、德国和日本也均有50家以上，我国有250家以上。我国开展近代流量测量技术方面的工作较晚，早期所需流量计均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，20世纪50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计。20世纪60年代开始有了涡轮流量计和电磁流量计等本国产品。现在已形成一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业。我国1990年流量仪表产量（不包括家用燃气表和家用水表）估计超过25万台3-6。1.3 流量计的分类及特点照目前最流行、最广泛的分类法，即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计。以上为按照较传统的测量原理设计的流量计量仪表，现在还出现了几种新工作原理的流量仪表，如静电流量计、复合效应流量仪表、转速表式流量传感器等7。由上述可知，流量计发展到今天虽已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。每种流量计都有其适用范围，也都有局限性，这就要求我们能在现有知识与技术基础上，研制新型仪表，提高精确度等指标，使其在现有基础上更加完善。超声波流量计由于其自身特点和其优势，具有开发及完善的更大前景。1.4 超声波流量计概述1.4.1 超声波流量计的发展及现状1.4.2 超声波流量计的特点超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束的作用，来测量体积流量的仪表。超声波流量计作为一种非接触式测量仪表，相对于传统的流量计而言具有以下优点:(1)可作非接触测量；(2)为无流动阻挠测量，无额外压力损失；(3)原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关；(4)可测量固相含量较多或含有气泡的液体，可测量非导电性液体，是电磁流量计的一种补充；(5)因易于实行与测试方法相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等；(6)某些传播时间法超声波流量计附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。超声波流量计由于具有以上的优点，被广泛的应用于工业测量领域8。1.4.3 超声波流量计两种主要测量原理及对比超声波流量计的测量原理，大致可分为两种：一种是利用超声波的传播速度随流速变化而发生变化的原理来测量的超声波时差法流量计；另一种是利用超声波在有悬浮颗粒或气泡的流体的传播过程中由于悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的多普勒流量计。时差法流量计通过测量出超声波沿顺流方向和逆流方向的时间差来计算流量；多普勒法将超声波射束放射于与流体同一速度流动的微粒子，并接收从微粒子反射回来的反射波，测出多普勒频率来测量流量。对于前者，只要是超声波能够透过的测量对象都能进行测量，但不适宜测量混入非常大的且有妨碍物体（例如大量的杂物和气泡）的流体；而多普勒流量计的测量原理则决定了它只适用于一些杂质颗粒较大的场合9。时差法超声波流量计主要应用于单相液体的测量,而多普勒超声波流量计则用于含有适量的固体颗粒或气泡的多相流体的计量。例如:煤浆、污水、浆体等含固体或杂质较多的液体,通常不适于清洁流体的测量。因此，时差法比较适合于工业上洁净用水的流量测量，多普勒法适合于杂质较多且分布均匀的流体的流量测量10。第二章 超声波流量计的总体设计2.1 超声波换能器概述2.1.1 超声波换能器能量转换原理超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。在发射超声波的过程中，换能器将电能转化为机械能，再转化为声能，如图2.1所示：图2.1 发射超声波过程的能量转化在接收超声波的过程中，换能器将声能转化为机械能，再转化为电能，如图2.2所示： 图2.2 接收超声波过程的能量转化2.1.2 超声波换能器的类型及主要性能指标目前常用的超声波换能器有两大类，即电声型与流体动力型。常用超声波换能器有压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁换能器以及电容式换能器等。目前比较常用的是压电超声波换能器。压电超声波换能器主要应用于常温下的检测。压电换能器属于超声波换能器器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。它的特点是阻抗高且呈容性，还具有结构简单、可靠性高等特点。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声波换能器。换能器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，这是逆压电效应；当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，这是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者用于超声波的接收。超声波换能器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声波换能器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0 的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0 。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致，这样，超声波换能器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声波换能器。超声波换能器结构如图2.3所示：图2.3 超声波换能器结构图2.2 超声波换能器的选择及设计2.2.1 超声波换能器的主要参数(1)中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz到2MHz。超声波的频率越高，声束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好，但是频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。常见超声波传感器的中心频率有有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。(2)入射角这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被探头接收。(3)发射强度 由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度。 本设计中，选用了中心频率为1MHz的探头，入射角为45°。(4)工作温度工作温度是指能使换能器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。2.2.2 超声波换能器的选择超声波换能器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波换能器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波换能器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的换能器，即可发送超声波，又可接受超声波;收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。本设计中选用的为收发一体式，选用两台材质和结构完全相同的换能器T1和T2进行交替发射接收，以实现顺流和逆流的时间测量。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。2.2.3 超声波换能器的安装方式及选择对于时差法超声波流量计来说，超声波换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式，如图2.4所示，分别为：平行式、Z式、V式。图2.4 超声波换能器的三种安装方式平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的；Z型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用；而V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，因此，两个换能器安装在同一侧对测量的准确度有很大的帮助。本设计中选用了V型安装方式，在管道同一侧安装了两个相同的超声波换能器，这样不仅可以提高系统的分辨率，而且单通道形式可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一切附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布不均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。2.3 时差法测量原理及影响测量的主要因素2.3.1 Z型安装方式时差法测流量的测量原理时差法的原理是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算除流体的流量。其基本原理如图2.5所示：图2.5 时差法基本原理示意图图中为液体管道，其中流有待测量液体，管道两侧装有超声波换能器T1及T2，它们是一对能同时发射和接收超声波的换能器。首先换能器T1发射超声波，超声波顺流传播，传播速度提高，经过时间被换能器T2接收；然后T2发射，超声波逆流传播，传播速度减小，经过时间被T1接收。设超声波信号在被测流体中的声速为，声射线与管轴之间的夹角为，管道内径为，由于换能器布置在管道外，超声波在换能器和管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，总称为延迟时间，远小于超声波在流体中的传播时间，则有： (2-1) (2-2) (2-3) 在一般工业测量中，超声波在液体中传播速度比液体的流速大得多，即远大于，所以顺逆流时间差可以简化为： (2-4) 因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为： (2-5) (2-6) 由于、和均已知,只要测出就可计算出和来。2.3.2 影响测量的主要因素在实际的测量中，测量环境不是一成不变的，有各种因素制约着流量的准确测量，在机械方面，与管段的几何尺寸有关；在物理方面，与来流的速度分布与温度变化有关；电子方面，与时间的测量有关。在使用超声波流量计进行测量时，通常流场相对稳定，超声波在液体中传播衰减相对较小，对于流体温度对测量的影响，以往的超声流量计均采用压电超声换能器进行测量，只有在被测流体温度较高，超过150的情况下，才无法进行测量，而一般情况下的测量，温度在不超过150的情况下，精确度是比较高的，因此常温下可不考虑此问题。在以上三个方面中，前两个因素的制约相对较小，因此，传播时间的测量对整个课题的研究和整机的性能是最关键的问题。另外，超声波换能器的性能，主机中对信号的采集和处理是另一个测量的重要因素。因此，本设计中对超声波流量计的设计和研发主要针对这些问题进行探讨，只有很好地克服和解决这些问题，才能保证流量计的测量精确度，使整机性能达到精确指标。2.3.3 V型安装方式时差法原理介绍 首先，针对V型安装方式的测量原理对流速测量公式进行推导，原理图如图2.6所示：图2.6 V型安装方式时差法原理示意图 当管道中流体以速度流动时，超声波信号在流体中的顺逆流传播时间分别为、，那么对于V型安装有： (2-7) (2-8) (2-9) (2-10)2.4 多脉冲测量原理 超声波顺逆流发射的传播时间差仅为95ns左右，如果要求系统测量精度为，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来记时，并且相应的要提高各种门电路开关速度，在现今电子技术发展情况下，这样高的频率时钟电路和计数电路都难以实现，可见极力去精确测量单个纳秒级的时差是不现实的，为了解决这个难题，本设计采用了多脉冲法作为测时方法。多脉冲测量方法是进入九十年代以来，国外生产厂家首先采用的一种测时方法，但多脉冲仅仅作为一个术语出现在产品介绍，或在产品说明书中一带而过。本设计结合微处理器的特点，对超声波时差流量测量的多脉冲测量方法进行了较深入的研究。多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间，而且能在流量测量过程中结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差法做出了合理估计，从而确保了流量测量的精度。多脉冲测量方法就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法，工作示意图见图2.7，首先使一个超声波换能器T1作为发射探头，另一个换能器作为接收探头，如图a所示，然后将触发信号施加在发射探头T1上使其发射超声波。超声波顺流传播被接收探头T2接收并转换为电信号，接收的电信号经放大、整形处理后又代替触发信号去触发换能器T1第二次发射超声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。在完成N次声循环后循环停止，假设这N次顺流声循环所需的时间为，它包括N次固有延迟时间，（i=1、2、3N）之和以及N个超声波在水中单次顺流传播时间之和，即： (2-11) 图2.7 双换能器交替发射接收示意图接着使超声波换能器T2作发射探头，T1作接收探头，如图b所示，将触发信号施加在发射探头T2上使之开始发射超声波，接收探头T1接收到超声波后，经放大、整形处理，触发T2第二次发射超声波，这样就形成了逆流超声波声循环，同样可知超声波完成N次逆流声循环后所需的时间包含N次固有延迟之和以及N个超声波在水中单次逆流传播时间之和，即： (2-12)当图a和图b中的发射电路、放大电路等采用完全相同的电路而且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要N足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时总和是相等的，即： (2-13)于是： (2-14) 由此可见，时间差不用再去测量难以准确计量的微小时间和。而是改测相对足够大的时间和。应用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后，现有的电子线路可以非常容易的对和进行测量，时间差的准确测量就变的非常容易。第三章 超声波流量计一次仪表部分硬件设计3.1 超声波发射电路的选择与设计单片机系统发出发射启动信号后，系统时钟同步产生时间计数器清零信号（CLR）和超声波发射电路驱动信号（TRIG），时间计数器对系统时钟计数，发射启动信号输出后单片机系统通过软件延时输出阈值，接收到的超声波信号送选频频率为1MHz的选频放大器后在阈值逻辑中与阈值比较，若大于或等于阈值则产生关闭时间计数器信号（CLOS），同时通过或门产生中断请求信号，并通过相应的计数器溢出端子，提供软件检测。至此，从硬件逻辑角度完成了一次发射到接收的过程。本设计中，发射和接收电路分别只有一个，因此，选用继电器进行顺逆流方向收发电路的切换，这样既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。发射电路如图3.1所示:图3.1 超声波发射电路超声波发射电路采用了单脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器产生超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声波换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。3.2 超声波接收信号调理电路选择与设计发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡，强度不断减小，而且不稳定。因此，对接收信号的调理是非常必要和重要的。 超声波接收信号调理电路的原理框图如图3.2所示：图3.2 接收信号调理电路原理框图3.2.1 一级放大电路由超声发射换能器发射的超声波信号，经过管壁和流体，衰减较大，因此超声接收换能器接收的信号通常比较微弱，通常为几个mV到几十个mV，这时，放大器的噪声对测量的精度影响也很大，此外超声流量计中使用的超声波频率较高，所以要求运算放大器的增益带宽积要足够高，因此，第一级放大电路必须采用低噪声高速放大器。本系统采用MAX410芯片构成第一级放大电路，MAX41O是一种低电压、低噪声、精密放大器， 性能优良，可以用来作为前级放大，其电路如图3.3所示：图3.3 一级放大电路超声接收换能器接收到的信号，经电阻从MAX41O的2、3脚输入，放大后的信号由MAX410的6脚输出，输出的信号分两路，一路反馈到ICICD4046的14脚用来完成锁相，另一路送带通滤波器进行后续处理。本电路采用同相比例放大电路，这样做的原因，一方面是由于同相比例放大电路的输入阻抗高，对超声接收换能器的影响小，另一方面进行反馈锁相时，保持相位。3.2.2 带通滤波电路MAX275带通滤波器电路如图3.4所示：图3.4 MAX275带通滤波器电路3.2.3 二级放大电路超声接收换能器接收到的信号经过一级放大器后，信号还比较小，再经过带通滤波器，信号又有一定程度的衰减，因此，还需要再进行放大。同第一级放大电路一样，这一级放大电路也需要足够高的增益带宽积。这一级放大电路采用放大器INA128。图3.5 二级放大电路第四章 超声波流量计二次仪表部分硬件设计4.1 系统工作原理概述超声波流量计系统原理框图如图4.1所示：图4.1 超声波流量计系统原理框图本系统利用超声多脉冲声循环法对微小时间进行累积,然后进行精确测量。具体工作过程是:单片机先对各计数器请零,使开关K1闭合,K2合向下边,然后控制同步电路发出一同步启动脉冲,触发超声波换能器T1发射第一个超声脉冲波,同时使计数电路开始对频率为f的高频方波进行计数。该超声脉冲顺流传播,至T2处被接收并转换成电信号,经过放大、整形,一方面返回去代替同步信号触发T1再次发射超声波,如此反复形成顺流发射声循环,另一方面进入分频电路进行分频。当声循环N次,分频器满并产生一信号,关断高频方波,使计数器停止计数,同时单片机断开K1停止声循环,读取锁存器中的顺流发射声循环计数值N1.然后单片机再对计数器清零,再使开关K1闭合,K2合向上边,触发换能器T2发射。此次,T2发射T1接收,形成逆流发射声循环,同样可得一逆流发射声循环计数值N2.进行一次测量过程中系统框图上各点的波形如图2所示。当声循环次数N足够大,由于统计作用,上述两次声循环的固有电声延迟(包括超声波经过换能器透声斜楔、管壁等所需的时间以及电信号滞后的时间)之和相等,所以可得单次正逆发射传播时间差。 系统硬件框图如图4.2所示： 图4.2 系统硬件框图 具体工作过程如下：从单片机收到主单片机发出的测量命令后产生一定的波形，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数电路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到脉冲信号后一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播的时间，并通过串行口送到主单片机上，主单片机收到从单片机发来的顺逆流的传播时间计数值后，对这些时间信号进行处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，并送到LED上显示出来。4.2 芯片资料4.2.1 总线收发器74LS24574LS245为三态输出的八组总线收发器。它的引出端符号如下:“A”为A总线端；“B”为B总线端；“/E”为三态允许端(低电平有效)；“DIR”为方向控制端。芯片如图4.3所示：图4.3总线收发器74LS245芯片功能表如表4.1所示：表4.1 74LS245功能表/EDIR方向LLB到ALHA到BH无Isolation4.2.2 计数器74S19674S196为可预置的二五十进制计数器，芯片如图4.4所示：图4.4 计数器74S196异步清除端“/CLR” 为低电平时，不管时钟端CLK1和CLK2状态如何，即可完成清除功能。计数/置入控制“/LDA” 为低电平时，不管时钟端状态如何，输出端即可预置成与数据输入端（DA-DD）相一致的状态。当“/LDA” 为高电平时，在时钟端CLK1和CLK2脉冲下降沿作用下进行计数操作。本硬件系统中“/LDA”端保持高电平，因此，74S196在时钟端CLK1和CLK2脉冲下降沿作用下进行计数操作。4.2.3 4040CMOS12级二进制计数分频器 4040为二进制计数分频器，其芯片如图4.5所示;图4.5 4040二进制计数分频器4.2.4 AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次以上。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。如图4.6所示： 图4.6 AT89C51它的引脚功能如下：VCC：供电电压；GND：接地；P0口：作为I/O口使用时，P0口是漏级开路双向口，向口锁存器写入1，I/O引脚将悬空，可作高阻输入引脚；在读写外部存储器时，P0口作为“低8位地址/数据”总线使用； P1口：内部带有弱上拉电阻的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P1口锁存器写入1，使P1口引脚被上拉为高电平。P1.0、P1.1引脚除了作为一般I/O引脚使用外，还具有第二输入/输出功能；T2(P1.0)：定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端；T2EX（P1.1）：定时器T2外部触发输入端；P2口：内部带有弱上拉电阻的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P2口锁存器写入1，使P2口引脚被上拉为高电平。在读写外部存储器时，P2口输出高8位地址A15A8；P3口：内部带有弱上拉电阻的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P3口锁存器写入1，使P3口引脚被上拉为高电平。P3口除了可作为一般I/O引脚使用外，还具有 第二输入输出功能；P3.0 RXD：串行数据接收（输入）端；P3.1 TXD：串行数据发送（输出）端；P3.2：外部中断0输入端；P3.3 ：外部中断1输出端；P3.4 T0：定时/计数器T0的外部输入端；P3.5 T1：定时/计数器T1的外部输入端；P3.6 ：外部数据存储器写选通，低电平有效；P3.7 ：外部数据存储器读选通，低电平有效；RST：复位信号输入端。高电平有效；ALE：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入