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                      如何使超聲波流量計又便于改進和擴充

                      文章出處:華仁儀表 發表時間:2017-12-02 10:18
                      江蘇華仁儀表有限公司  如何使超聲波流量計又便于改進和擴充
                      1 智能超聲波距離提示器
                      1.1 什么是超聲波測距
                      超聲波是指超過人的聽覺范圍以上(16KHZ)的聲波。近二、三十年,特別是近十年來,由于電子技術及壓電陶瓷材料的發展,使超聲檢測技術得到了迅速的發展。超聲技術是一門以物理、電子、機械、及材料學為基礎的通用技術之一。超聲技術是通過超聲波產生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
                      超聲檢測技術是利用超聲波在媒質中的傳播特性(聲速、衰減、反射、聲阻抗等)來實現對非聲學量(如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等)的測定。它的基本原理是基于超聲波在介質中傳播時遇到不同的界面,將產生反射,折射,繞射,衰減等現象,從而使傳播的聲時,振幅,波形,頻率等發生相應變化,測定這些規律的變化,便可得到材料的某些性質與內部構造情況。與傳統超聲技術完全不同,新的超聲技術具有以下特點:在不破壞媒質特性的情況下實現非接觸性測量,環境適應能力強,可實現在線測量。
                       
                      1.2 超聲波發生器的種類
                      為了研究和利用超聲波,人們已經設計和制成了許多超聲波發生器??傮w上講,超聲波發生器可以分為兩大類:一類是用電器方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波,電器方式包括壓電型,磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛,液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率,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生器。雅典市超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。
                      它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時,壓電晶片將會發生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。反之,如果兩電極間外未加電壓,當共振板接受到超聲波時,將壓迫壓電晶片做震動,將機械能轉換為點信號,這時它就成為超聲波接受器了。
                       
                      2 研究的意義
                      2.1 超聲波用于距離測量的優勢
                      由于超聲波頻率較高,沿直線傳播,繞射小,穿透力強,指向性強,傳輸過程中衰減少,能量消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠,遇到雜質或分界面時會產生反射波,因而超聲波經常用于距離的測量。超聲波有兩個特點,一個是能量大,一個是沿直線傳播,它的應用就是按照這兩個特點展開的。
                      超聲波與一般聲波比較,它的振動頻率高,而且波長短,因而具有束射特性,方向性強,可以定向傳播,其能量遠遠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
                      本設計采用單片機來實現智能超聲波測距,雖其在功能上是不能與商品的,高精度的智能超聲波測距儀相比的,但優點在于系統規模較小,器件更換容易,成本低,有一定靈活性。但不適宜用于測量過于精確或者過大的距離,容易產生誤差。
                       
                       
                      3 研究的關鍵技術
                      3.1 頻率發生
                      本設計中共用到了兩個重要的頻率,為了實現輸出頻率的精確性,在設計時用到了單片機,因為頻率發生電路是整個電路的核心,有單片機發生的頻率必須準確,否則測得的距離顯示會產生很大誤差。在考慮整體方案的時候,也想到用一片單片集成電路來完成頻率信號的產生及其分類工作,也完全可以實現電路的功能,但是要想實現高精度要求,有些困難。最后還是選擇用單片機來完成頻率的產生工作。
                      第一個頻率,超聲波的發射中心頻率,信號本來就是40kHz,并由單片機的P3.0口輸出。這是由單片機內部的定時器由軟件編程所產生,具體需要由程序來設定。
                      第二個頻率就是單片機進行數碼顯示的計數頻率,在計算之前首先要明確我們要設計的超聲波測距精度是多少,而在本設計中,設計精度為lcm,也是0.01m,超聲波發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倍測量距離,而大家知道,聲波在標準氣壓下15℃的傳播速度為341m/s,因此,我們要設計成在一個時鐘周期內超聲波所傳播的距離為0.02mm,這樣便可以計算出定時器的溢出頻率是341/0.02=17.05×;10 ,也就是17.05kHz,這樣在一個時鐘周期內所測的距離便為0.01m。N個周期所測的距離為N×;0.01m,N個周期有N個方脈沖,也就是說,計數器測得的脈沖數N即為被測距離,不過其單位為0.01m,因此應把計數顯示器的小數點點在百位數和個位數之問,那么示值是以“米”為單位,其最大顯示值為9.99m。
                       
                      4 設計方案
                      4.1 實現功能
                      本設計主要的實現功能如下:
                      由單片機產生頻率為40kHz的方波脈沖信號,超聲波發射端發出信號,遇到障礙物返回,被接收端接收到。由單片機計算出探頭與障礙物之間的距離,這就是被測距離。
                      技術指標:
                      設計精度為lcm,也就是0.0lm??蓽y量距離由0m至9.99m。
                      4.2 系統結構
                      系統的基本組成包括:單片機(89C2051),LCD(數碼管顯示),集成運放(CX20106),集成放大器(LM386),超聲波發射,接收探頭。
                      4.3 系統方案
                      要使整個系統能夠正常、順利的工作,就得有一個好的硬件和軟件。
                      本方案以單片機ATMEL 89C2051為核心,通過對其進行軟件編程,實現該單片機對其外圍電路的適時控制,并提供給外圍電路各種所需的信號,包括頻率振蕩信號、數據處理信號等等,大大簡化了外圍電路的設計難度,同時更重要的是該種設計方案大大節省了設計成本,并且由于是采用軟件編程技術,所以其移植性能好,在設計電路時可以將其他更多的功能設計進去,而我們在設計電路板時就可以根據自己的設計目的焊接元件。
                      在初始方案設計時,我打算在超聲波發射端使用RS觸發器CD4013作為門控電路,當R=1;(S=0)時復位,即Q=0;S=l(R=0)時置位,當上電復位時,D觸發器CD4013的Q腳輸出低電平加到單片機的P3-3口,不啟動內部計數器,處于等待狀態。
                      在超聲波接收端設計了一個信號放大電路,采用兩級同相交流放大器,通過參數設置,每一級放大了約20倍,這樣經過兩級放大后,接收到的超聲波信號就被放大了幾乎是400倍,完全能夠被后續檢測電路檢測到。接收傳感器L2將反射的超聲波轉換為電信號后,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直流偏置電阻的作用是相當重要的,它可以很好地穩定運放 A741的直流工作點,不致于使其同相輸入端出現浮動狀態,而造成輸入信號不穩定。
                      由于本超聲波測距系統精度要求是lcm,故本人在進行距離顯示電路部分的設計時用到了三個數碼管,其可以顯示范圍為0.Olm至9.99m,為了節省硬件開銷,本距離顯示電路沒有使用譯碼器,而是直接有效地利用了單片機的有限端口來進行譯碼顯示,但是最后由于仍然缺少一個端口,故用到了一個二一四譯碼器74LS139。
                      經過老師指導,對初始設計方案進行修改,將原超聲波發射電路改成用芯片LM386發射,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。由于采取了系統優化方案,大大節省了單片機的接口,原本因為單片機機接口不夠而擴展的74LS139芯片被省略,數碼管位選直接接在單片機接口上。這些優化大大簡化了設計的復雜度和焊接時的困難度。
                      在軟件方面采用C語言來編程,用C語言來編寫目標系統軟件,會大大縮短開發周期,且明顯地增加軟件的可讀性,便于改進和擴充。
                       

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