高精度超声波微压计的设计

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2013/6/23,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/6/23,#,单击此处编辑母版标题样式,高精度超声波微压计的设计,指导老师： 某某,：,09,测控,姓名,：,某某,学号,：学号,2013,届,本科,生,学位论文,答辩,1,汇报内容,研究背景,超声波微压计简介、意义,超声波测压原理,硬件以及电路设计,硬件调试,软件设计,2,研究背景,微压计发展趋势及应用,发展趋势：小型化、集成化、快速现场测量等,应用：在风洞、实验室、环境监测等诸多领域微压计都有应用,微压计种类,常见微压计：,U,型管微压计、数字微压计、补偿式微压计和协管微压计等,3,研究背景,U,型管微压计,优点：设计结构简单、价格便宜、性能可靠,缺点：人工读数、无法测量压力瞬时变化、精度不高、误差大,数字微压计,优点：集成度高、直接读数、速度快、可测量瞬时压力变化、精度高、携带方便等,缺点：稳点性不高、价格高、对温度和环境要求很高,4,超声波微压计介绍、意义,介绍,超声波微压计是以,U,型管微压计为基本结构、使用超声波进行测量、并用单片机进行控制处理的高精度微压计,意义,兼顾了,U,型管微压计和数字微压计的优点，并客服了二者的缺点。,保留了,U,型优点（基本结构简单、性能可靠）并客服,U,型管微压计的缺点（人工读数、无法测量压力瞬时变化、精度不高、误差大）。,结构简单、性能稳定可靠、不需要人工读数、测量精度高、使用方便、可以直接读数、记录瞬时压力,5,超声波测压原理,超声波,振动频率,f20KHz,测量中用来测距,超声波换能器,测量中用来发射和接受超声波,微压计中使用的换能器是压电换能器,基本原理,利用超声波测量水柱高度从而求得压力,所谓的换能器就是进行能量转换的器件，它可将一种形式的能量转换成另一种形式的能量。能量的形式是多种多样的，因而换能器的形式也不同。超声波换能器是一个可以把电能转换成高频声能，并且也能够把声能转换成电能的器件,换能器可以分为磁性换能器和电性换能器。其中，磁性换能器包含有电磁式、电动式、磁致伸缩；而电性换能器有压电式、电容式、电致伸缩式,压电换能器是一种基于某些晶体的压电效应来实现电声能量转换的电性换能器。,此压电换能器具有正压电效应和逆压电效应。,6,超声波测压原理,图,b,两管的压力差：,所以只要精确测得,h,0,和,h,1,即可准确测量出压力。并且测量压力差与超声波换能器放的位置无关。,而超声波测距的基本工作原理是：发射探头发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。,故利用超声波测距的基本原理就可以进行超声波测压了。,在环境温度是,25,C,时，超声波在纯净水中的传播速度大约是,1480,米,/,秒。根据超声波在水中这一特性就可以设计出超声波微压计。,超声波测压的基本原理是通过超声波在液体中传播，碰到液柱的液面返回，测量超声波往返时间来计算出液柱的高度，即可由液柱高度的变化得出压强。,超声波换能器发出超声波，此时计数器开始计数，超声波到达液面反射回来由环能器接收，使计数器停止计数，由计数个数可得超声波传播时间，由此可得液柱高度,玻璃管中液体是纯水话，可用,mmH,2,O,（,=9.80665Pa,）压力,7,超声波测压原理图,超声波测压原理,超声波传播时间,则液柱的高度,两管压力差,如采用,12MHz,高频脉冲声波作为计时单位，,t,时间内得到脉冲数为,n,个,计时脉冲时序图,8,超声波测压原理图,超声波测压原理,测量分辨率,常温下采用,12MHz,的脉冲作为计时单位：,提高分辨的方法,使用更高频率计时脉冲（使用,24MHz,脉冲分辨率可达,0.03mmH,2,O,）,使用密度低的液体（再使用酒精分辨可达,0.024mmH,2,O,）,该微压计适合绝大多数场合微小压力的测量。这种微压计测量速度非常的快，可以做到每秒钟几百次的测量速率，因此能捕捉压力的瞬态变化。,9,发射电路,接收、发大电路,计数电路,显示电路,硬件以及电路设计,10,超声波微压计结构图,发射电路,由于收发超声波使用的是同一换能器，水柱不长，为了提高测量精度，所以采用单脉冲发射方式。,由单片机发出启动脉冲，经过微分电路，使得三极管瞬间导通，在超声波换能器上得到一个前沿很陡的高压脉冲，由此换能器向液面发出超声波脉。,首先,CLR,端有一个低电平对,D,触发器清零，这时,Q,段为低电平；然后,CLR,端变高，,CLK,端有一个,START,信号，,Q,为高电平，经过微分电路得到一个尖脉冲，它使得三极管导通产生超声波发射信号如图,5,所示,11,超声波发射波,超声波发射电路,接收、发大电路,信号来自于超声波换能器，输入于单片机,该接收、放大电路将从换能器接收的信号经过放大整形得到脉冲信号，并由输出口输出给单片机。,超声波换能器接收到的第一发射波信号经由,A,进入放大电路，首先经比例微分电路将信号放大，如,B,点；,B,点信号再经过,RC,微分电路使信号变得更尖陡，然后该信号再经过精密检波电路检波（整形）后，得到,C,点信号再经由,RC,滤波后得到反射波的包络线；为消除地线及杂波等干扰信号，同时增强信噪比，,C,点的信号再经过一个带有域值比较的放大器进一步放大，得到一个比较干净而幅值足够大的第一发射波信号,D,；之后再通过比较电路得如,E,所示的波形；最后，经微分电路使波形变尖变陡，得输出波形,H1,，最后把该信号作为触发信号（,H1,）给计数系统，使其停止计数。至此，完成反射波信号的放大与处理。,超声波在液柱中会来回反射很多次，因此，我们只要记录从发射超声波到收到第一反射波之间的计数个数，在完成第一反射波的处理后，我们就需要立即停止计数，而这部分的工作我们使用控制电路（即单片机）来实现。,12,信号接收、放大电路,放大电路各点波形图,计数电路,电路采用的控制系统是,MCS-51,系列单片机。电路中的,74LS393,是一块双,4,位二进制计数器（异步清除），在这里用来作为分频器。我们使用的单片机是,12MHz,的晶振，其最高计数频率为,500KHz,，这里的超声波计时系统采用的是,12MHz,的高频脉冲，因此通过,74LS393,把,12MHZ,的脉冲,256,分频，这时脉冲频率变为,46.857K,，这样就满足了单片机的计数频率。,74LS393,同时也作为计数中数据的低八位，单片机中的数值为高,16,位，这样我们也可以计到,24,位，计数范围为,0-1677721574,。因此，可以通过理论计算得到最大测量水柱的高度为：,电路中,74LS393,是一块双,4,位二进制计数器，这里用作分频器。使用的单片机是,12MHz,的晶振，其最高计数频率为,500KHz,，故,12MHz,脉冲要,256,分频后才能使用。,74LS393,作为计数中数据的低八位，单片机中的数值为高,16,位，这样计数范围为,0-1677721574,。则该微压计最大测量水柱的高度为：,由于所使用的超声波换能器同时作为发射和接收装置用，为了避免发射信号对放大器的干扰，发射超声波前，先令,P2.7,位低电平，这时与门被封锁。延迟一段时间，将与门开放，等待第一反射波的触发。当,P2.5,发出,START,信号时，,U10A7474,的,5,脚产生一个高电平，送往超声波发射器同时送到,U10,：,B7474,的,13,脚和,U8,：,B7411,的,4,脚。,7474,的,13,脚变为高电平，,U10,：,B7474,和,U8,：,B7474,打开，将,P2.7,置位，,U8,：,C7411,打开。这时脉冲信号可以通过，计数器开始计数。换能器接收到第一反射波，经放大后即为,H1,，通过与门,U8,：,C7411,作为,U10,：,B7474,的时钟脉冲输入，这时,7474,的,9,脚,Q,变为高电平，而,8,脚,Q,变为低电平，,U8,：,B7411,的,3,脚也变为低电平，这时与门就被锁存，计数停止。,13,超声波微压计脉冲计数电路,显示电路,我们采用位,LED,进行设定参数和测量结果的显示，该显示电路为动态扫描显示时。设定参数主要是液体的比重。,14,键盘扫描和,LED,显示电路,硬件调试,测量中存在一个“死区”，即在该高度的液柱下无法进行测量。这是由于超声波在液体中传输很快，假如传输距离太短，可能计数器还来不及开始计数就接收到返回的超声波，停止计数，这样就得不到结果。,由于超声波在水中的传播速度很快，当我们发出超声波信号时同时开计数，但打开计数器与响应都需要一定的时间，如果距离太短，超声波往返的时间就太短，可能计数器还来不及开始计数就接收到返回的超声波，停止计数，这样就得不到结果。,15,测量死区示意图,软件设计,该微压计的软件设计首先要解决两个重要问题，就是实时和同步的问题。,该微压计的软件设计首先要解决两个重要问题，就是实时和同步的问题。首先，计数要在超声波发出的同一时刻进行；再则，就是当接受到第一反射波的同时，就要立即停止计数；还有，由于发射以及就收是同一超声波换能器完成的，所以超声波的发射端和接收放大电路的输入端是连接在同一点上的，则在发射超声波的同时，接受放大电路同样也会接收到发射信号，假如不采取一定的措施的话，这就会误将发射波当做第一反射波，这时计数器刚启动就会关闭，造成误操作，所以此时要采取必要的措施，对放大器的输入端进行屏蔽处理。上文已经提到过对于这个问题的处理方法，就是发射超声波前，先令,P2.7,位低电平。,另一方面，发射的电脉冲信号有一定的宽度，对超声波的激励是利用发射脉冲的前沿，加之电路存在延时效应，根据上述情况，应在发射后的一段时间内需要屏蔽放大电路的输入端，延时一段时间后再开放，以免误触发。因此，从发射信号到开放接收电路之间产生一个固定的时间差，必然存在一个测量死区，当液位高度小于死区高度时是无法测量的。,对于程序，首先要清零，然后给一个触发信号，超声波发射，开始计数，当接收到第,16,测量程序的流程图,致谢,本论文是在导师某某教授的悉心指导下完成的。从最初论文的、实验研究、实验资料的采集到现在论文的最后完稿，所取得的每一点成绩都倾注了导师的心血。,在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！,最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师,!,17,