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如何使超声波流量计又便于改进和扩充

文章出处:顶级贵宾会713com 发表时间:2017-12-02 10:18
江苏顶级贵宾会713com有限公司 如何使超声波流量计又便于改进和扩充
1 智能超声波距离提示器
1.1 什么是超声波测距
超声波是指超过人的听觉范围以上(16KHZ)的声波。近二、三十年,特别是近十年来,由于电子技术及压电陶瓷材料的发展,使超声检测技术得到了迅速的发展。超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性(声速、衰减、反射、声阻抗等)来实现对非声学量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等)的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面,将产生反射,折射,绕射,衰减等现象,从而使传播的声时,振幅,波形,频率等发生相应变化,测定这些规律的变化,便可得到材料的某些性质与内部构造情况。与传统超声技术完全不同,新的超声技术具有以下特点:在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量,环境适应能力强,可实现在线测量。
1.2 超声波发生器的种类
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电器方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波,电器方式包括压电型,磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛,液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率,功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。雅典市超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有震荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间外未加电压,当共振板接受到超声波时,将压迫压电晶片做震动,将机械能转换为点信号,这时它就成为超声波接受器了。
2 研究的意义
2.1 超声波用于距离测量的优势
由于超声波频率较高,沿直线传播,绕射小,穿透力强,指向性强,传输过程中衰减少,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,遇到杂质或分界面时会产生反射波,因而超声波经常用于距离的测量。超声波有两个特点,一个是能量大,一个是沿直线传播,它的应用就是按照这两个特点展开的。
超声波与一般声波比较,它的振动频率高,而且波长短,因而具有束射特性,方向性强,可以定向传播,其能量远远大于振幅相同的一般声波,并且具有很高的穿透能力。
2.2 研究的意义
本设计采用单片机来实现智能超声波测距,虽其在功能上是不能与商品的,高精度的智能超声波测距仪相比的,但优点在于系统规模较小,器件更换容易,成本低,有一定灵活性。但不适宜用于测量过于精确或者过大的距离,容易产生误差。
3 研究的关键技术
3.1 频率发生
本设计中共用到了两个重要的频率,为了实现输出频率的精确性,在设计时用到了单片机,因为频率发生电路是整个电路的核心,有单片机发生的频率必须准确,否则测得的距离显示会产生很大误差。在考虑整体方案的时候,也想到用一片单片集成电路来完成频率信号的产生及其分类工作,也完全可以实现电路的功能,但是要想实现高精度要求,有些困难。最后还是选择用单片机来完成频率的产生工作。
第一个频率,超声波的发射中心频率,信号本来就是40kHz,并由单片机的P3.0口输出。这是由单片机内部的定时器由软件编程所产生,具体需要由程序来设定。
第二个频率就是单片机进行数码显示的计数频率,在计算之前首先要明确我们要设计的超声波测距精度是多少,而在本设计中,设计精度为lcm,也是0.01m,超声波发射器的声波传播到反射物,再由反射物反射到接收器,所传播的距离为2倍测量距离,而大家知道,声波在标准气压下15℃的传播速度为341m/s,因此,我们要设计成在一个时钟周期内超声波所传播的距离为0.02mm,这样便可以计算出定时器的溢出频率是341/0.02=17.05×;10 ,也就是17.05kHz,这样在一个时钟周期内所测的距离便为0.01m。N个周期所测的距离为N×;0.01m,N个周期有N个方脉冲,也就是说,计数器测得的脉冲数N即为被测距离,不过其单位为0.01m,因此应把计数显示器的小数点点在百位数和个位数之问,那么示值是以“米”为单位,其最大显示值为9.99m。
4 设计方案
4.1 实现功能
本设计主要的实现功能如下:
由单片机产生频率为40kHz的方波脉冲信号,超声波发射端发出信号,遇到障碍物返回,被接收端接收到。由单片机计算出探头与障碍物之间的距离,这就是被测距离。
技术指标:
设计精度为lcm,也就是0.0lm。可测量距离由0m至9.99m。
4.2 系统结构
系统的基本组成包括:单片机(89C2051),LCD(数码管显示),集成运放(CX20106),集成放大器(LM386),超声波发射,接收探头。
4.3 系统方案
要使整个系统能够正常、顺利的工作,就得有一个好的硬件和软件。
本方案以单片机ATMEL 89C2051为核心,通过对其进行软件编程,实现该单片机对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号等等,大大简化了外围电路的设计难度,同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本,并且由于是采用软件编程技术,所以其移植性能好,在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去,而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。
在初始方案设计时,我打算在超声波发射端使用RS触发器CD4013作为门控电路,当R=1;(S=0)时复位,即Q=0;S=l(R=0)时置位,当上电复位时,D触发器CD4013的Q脚输出低电平加到单片机的P3-3口,不启动内部计数器,处于等待状态。
在超声波接收端设计了一个信号放大电路,采用两级同相交流放大器,通过参数设置,每一级放大了约20倍,这样经过两级放大后,接收到的超声波信号就被放大了几乎是400倍,完全能够被后续检测电路检测到。接收传感器L2将反射的超声波转换为电信号后,由放大器放大后再送到由U1B、U1C等组成的斯密特整形电路整理成规范的方脉冲。电阻R11和电位器R12为同相端提供直流偏置电位。需要注意的是这两个直流偏置电阻的作用是相当重要的,它可以很好地稳定运放 A741的直流工作点,不致于使其同相输入端出现浮动状态,而造成输入信号不稳定。
由于本超声波测距系统精度要求是lcm,故本人在进行距离显示电路部分的设计时用到了三个数码管,其可以显示范围为0.Olm至9.99m,为了节省硬件开销,本距离显示电路没有使用译码器,而是直接有效地利用了单片机的有限端口来进行译码显示,但是最后由于仍然缺少一个端口,故用到了一个二一四译码器74LS139。
经过老师指导,对初始设计方案进行修改,将原超声波发射电路改成用芯片LM386发射,不使用原有的门控电路。原超声波接收电路改成用集成CX20106,省掉了之前的放大电路。由于采取了系统优化方案,大大节省了单片机的接口,原本因为单片机机接口不够而扩展的74LS139芯片被省略,数码管位选直接接在单片机接口上。这些优化大大简化了设计的复杂度和焊接时的困难度。
在软件方面采用C语言来编程,用C语言来编写目标系统软件,会大大缩短开发周期,且明显地增加软件的可读性,便于改进和扩充。

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