如何使超声波流量计又便于改进和扩充

文章出处：华仁仪表发表时间：2017-12-02 10:20

江苏华仁仪表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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