NACL溶液超声波浓度检测仪开发

-办理定金本科毕业论文题 目NACL溶液超声波浓度检测仪的开发姓 名伟克学 号37专 业机械设计制造及其自动化指导教师王树才职 称教授中国2021 年 6 月. z-华中农业大学本科毕业论文NaCL溶液超声波浓度检测仪的开发A new research of ultrasonic concentrationdetector for NaCL solution学生：伟克学生*：37学生专业：机械设计制造及其自动化指导教师：王树才 教 授华中农业大学工学院二一二年六月. z-摘要用盐水浸渍法腌制咸蛋时，盐水的浓度和咸蛋的品质有很大关系，因此控制好腌制液中NaCL的浓度是非常重要的。本论文以加快咸蛋加工速率为出发点，对盐水浸渍法腌制咸蛋过程中的NaCL溶液浓度检测问题进展研究分析。传统的检测方法周期长、本钱高，这大大的限制了提高咸蛋腌制的速度。超声波检测技术可以应用于液体浓度检测，因此本文利用超声波声速法来代替传统的滴定法来检测NaCL浓度，首先通过实验得出超声波传播速度与NaCL浓度的关系，并考虑温度的影响，然后通过数据处理得出三者的函数关系，利用单片机对整个检测系统进展控制，这样就能方便的检测出NaCL的浓度。关键词 ： 浓度检测 超声波声速法 单片机Abstract The concentration of saltwater has the close relations with the saltys quality , duringuse the salt water immersion method to make salty , so it is important to control the concentration of saltwater . In this paper , in order to promote the salt process of the salty ,we study the problem of NaCL concentration measurement.The traditional measurement has a long cycle , high cost; so it is very tough to improve the velocity of salting egg. Ultrasonicinspection technique can be used in the liquid concentration measurement, so in this paper we use the ultrasonic sound method replace the traditional titration method to detect the NaCL concentration, first we get the function of ultrasonicvelocity and NaCL concentration by e*periment, considering the effect of temperature , then get a function of this three variables by data processing, the whole detection system is controlled by MCU, so we can easily detect the NaCL concentration .Key word： concentration measurementultrasonic velocity method MCU. z-目录第一章 绪论 11.1 蛋的营养 11.2咸蛋的营养价值11.3我国咸蛋加工的现状21.4课题意义2第二章NaCL溶液超声波浓度检测仪的理论根底32.1超声波技术32.1.1超声波检测技术的介绍32.1.2超声波检测技术的原理32.2 超声波检测技术的测量方法 42.3超声波换能器42.3.1超声波换能器的分类42.3.2超声波压电换能器的工作原理42.3.3超声波压电换能器的构造及各局部作用52.4单片机技术 6第三章 Nacl溶液超声波浓度检测仪的硬件设计 63.1超声波发射电路63.1.1超声波发射电路的工作原理63.1.2超声波发射电路的组成73.2超声波接收电路9 3.2.1阻抗匹配电路9 3.2.2放大及滤波电路 10 3.2.3电平转换电路103.3单片机选择及最小系统 123.3.1单片机的选择123.3.2单片机最小系统 133.4电源转换电路 133.5温度采集电路 143.6显示模块 15第四章 NaCL溶液超声波浓度检测仪的软件设计154.1脉冲发射程序 154.2 显示子程序 164.3温度采集子程序 184.4计时中断主程序 20第五章 总结23致24. z-参考文献25附录26. z-第一章 绪论1.1蛋的营养鸡蛋是一种营养全面，营养素配比平衡的食品。蛋中含有丰富的蛋白质，生物价为94%，营养学家称之为标准白质1。生物价是指*种食物蛋白质食入后在人体被吸收的氮与吸收后在体储留和利用的氮的数量比值。全蛋的生物价为94%，牛奶为85%，牛肉为76%，大米为77%，大豆为64%，面粉为52%。禽蛋可以提供均衡的蛋白质、脂类、糖类、矿物质和维生素。蛋脂肪含量11%16%，并含有丰富的磷脂类和固醇等特别重要的营养素。另外，蛋黄中富含铁、磷，镁等矿物质，易被人体吸收利用，可以作为婴幼儿及贫血患者补充铁的良好食品。禽蛋的营养十分丰富，所以不单是人类重要的食品，而且是生物、化工、轻工等行业的重要原料，尤其在食品工业中具有多种用途，能改善食品风味，提高食品的营养价值。1.2咸蛋的营养价值咸蛋是指以鸭蛋为主要原料经腌制而成的再制蛋，中国咸鸭蛋生产历史悠久，600多年前中国就有咸蛋这种食品了。咸蛋又称腌蛋、盐蛋、味蛋，是一种风味特殊、食用方便的再制品。品质优良的咸蛋具有鲜、细、嫩、松、沙、油六大特点，煮熟后蛋白质地细嫩，蛋黄细沙，呈朱红色起油，味道鲜美，用双黄蛋加工的咸蛋，色彩更美，风味别具一格。咸蛋的化学成分随着原料蛋的变化而变化，同时也受配料标准、加工方法和储存条件的影响。咸蛋与鲜蛋的化学成分比照列于表1-1、1-2、1-3表1-1 咸蛋和鸭蛋的化学成分(每100g)工程 可食局部/% 能量/KJ 水分/g 蛋白质/g 脂肪/g 碳水化合物/g灰分/g咸蛋 88 795 61.3 12.7 12.7 6.3 7.0鸭蛋 87 753 70.3 12.6 13.0 3.1 1.0表1-2 咸蛋和鸭蛋的维生素含量(每100g)工程 可食局部/% VA/ug VB1/mg VB2/g 尼克酸/mg VE/g咸蛋 88 134 0.16 0.3 0.1 6.25鸭蛋 87 261 0.17 0.17 0.2 4.98表1-3 咸蛋和鸭蛋矿物质和微量元素含量每100g工程 可食局部/% 钾/mg 钠/mg 钙/mg 镁/mg 铁/mg 锰/mg 锌/mg 铜/mg 磷/mg 硒/mg咸蛋 88 184 2706.1 118 30 3.6 0.10 1.74 0.14 231 24.04鸭蛋 87 135 106.1 62 13 2.9 0.04 1.67 0.11 226 15.68注: 表1-1、1-2、1-3资料来源于食物成分表人民卫生，1991由于食盐的渗透作用，咸蛋的含水量降低；碳水化合物、矿物质和微量元素有所增加，能量也有所上升；维生素E含量有所提高，其余维生素略有损失；蛋白质和脂肪没有多大变化2。. z-. z-. z-1.3我国咸蛋加工的现状传统的咸蛋加工方法主要有草灰法，盐泥涂布法，包泥法，盐水浸渍法.1草灰法 草灰法又分提浆裹灰法和灰料包蛋法。将稻草灰和食盐先在容器混合，再适量加水并充分进展搅拌混合均匀，使灰料成为干湿度适中的团块，然后将灰料直接包裹于蛋的外表，再置于缸中密封贮存。2盐泥涂布法 先将食盐放在容器，加冷开水溶解，再参加经晒干、粉碎的黄土细粉，用木棒搅拌使其成为浆糊状。然后将挑好的原料蛋放入泥浆中，使蛋壳沾满盐泥，再将蛋取出滚上一层干草灰入缸成熟。3包泥法 将黄土捣碎与食盐混在一起，然后加水混合，使成为不稀不浓的糊状，便可以包蛋。4盐水浸渍法 用食盐水直接浸泡腌制咸蛋。近年来中国鸭蛋产量在350-400万吨，估计一般以上用于加工咸蛋，再加上用鸡蛋加工的咸蛋，中国年生产咸蛋在200万吨以上，可见咸蛋在中国的蛋制品中占有重要地位。但是传统的咸蛋加工方法生产周期均较长，对资金周转、场地利用均不利、为了缩短生产周期，许多学者对传统加工方法进展改良，出现了多种新型腌制方法。根样采用压力腌蛋法，即把蛋放入压力容器中，参加饱和食盐水，然后对容器进展加压，经24-48小时即可腌制完毕；而黄如瑾则采用3%-13%的盐酸腐蚀蛋的外壳，使蛋成为软蛋后，再加盐水腌制，以加速咸蛋加工进程；黄浩军将盐与调味料一2:3配成卤汁，再将卤汁灌入注射器，直接注入蛋以缩短加工周期；周承显创造了咸蛋纸制作咸蛋的方法，保证了蛋的清洁卫生和食用方便；雄德创造了真空无泥咸蛋制作方法；另外有人为了增加咸蛋的风味和营养，创造了五香熟鸡蛋3。1.4课题意义用盐水浸渍法腌制咸蛋，盐水浓度与腌蛋的品质颇有关系，如用10%的盐水，所用的蛋平均质量为81.7g，腌制后，每蛋含盐量为1.245g，全蛋含盐量为1.5%，除壳后含盐量为1.7%；用20%的盐水腌蛋，所用的蛋平均重80.7g，每蛋含盐量为4.075g,全蛋含盐量为5.0%，除壳后含盐量为5.6%；用30%的盐水腌蛋，所用的蛋平均重81.2g，每蛋含盐量为5.136g,全蛋含盐量为6.3%，除壳后含盐量为7.8%.试验结果，用20%的盐水来腌制咸蛋最适宜，10%的盐水腌的蛋味较淡4。在咸蛋腌制过程中，腌制液中的NACL会随着腌制时间的加长而不断渗透到禽蛋中，因此为了控制腌制过程中NACL的浓度，每个大型企业都会有配有专门的人员实时检测腌制液中NACL的浓度，及时添加适量的NACL溶液，以保证其浓度的稳定。但是实际中的浓度检测多采用直接的化学滴定方法，检测过程也很麻烦且用时较长，这也因此增加了咸蛋的加工周期和生产本钱。这一课题的提出是从间接检测出发，通过测量溶液的*些参数，然后通过这些参数和浓度的关系来推算溶液的浓度值，最终找到一种快捷简单的方法来检测腌制液中NACL的浓度，从而降低生产周期和本钱。. z-. z-第二章 NaCL溶液超声波浓度检测仪的理论根底2.1超声波技术 2.1.1超声波检测技术的介绍超声波是一种在弹性介质中的机械振荡。其振荡形式有两种：横向振荡横波和纵向振荡纵波。其中，纵向振荡被广泛应用于工业中。超声波频率高于20KHZ，可在固体、液体及气体中传播，具有波长短、频率高、定向性好、能量集中、不易受光线、电磁、被测对象颜色等影响，并对恶劣环境有一定适应能力的特点。此外，超声波有反射和折射现象，并且在传播过程中有衰减。目前，超声波被逐步应用于探伤、测距、测厚、液位测量、流量测量、机械手控制、车辆自动导航等检测领域。可以说，超声波检测技术是工业无损检测技术中应用和研究最为活泼的技术之一。2.1.2超声波检测技术的原理超声波测量的根本原理是：利用介质的声学特征如声速、衰减系数、声阻抗等与*些待测的工业非声学量如强度、弹性、硬度、密度、温度、粘度、浓度、流量、流速和厚度等之间存在的函数关系或相关性，探索这些关系的规律，以便于通过测量这些声学量来测定那些工业非声学量。下面就超声波在介质中的传播特性作简单介绍。(1)声速超声波在介质中的传输速度称为介质的声速，用表示。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。声速是随着介质及其状态如温度的不同而不同。例如在常温下，空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。除水以外，大局部液体的声速随温度的升高而增加。此外，流体中的声速还会随着压力的增加而增加。声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可用准确理论公式表示出来：有的关系比拟间接而复杂，但在特定的条件下，也可建立一些经历公式例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、*些液体的比重等，通过与声速建立一定的函数关系，进而来测定这些特性参数5。(2)声衰减超声波的衰减指的是超声波在通过材料传播时，声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象。引起衰减的原因主要有三个方面：一是声束的扩散；二是材料中的晶粒或其他微小的颗粒对声波的散射；三是介质的吸收。扩散衰减是由于声束扩散引起的衰减。在一些特定波形的声场，随着传播距离的增大，声束截面不断扩大，这种现象称为声束扩散。由于声束截面的增大，使单位面积上的声能或声压随传播距离的增大逐渐减弱，这就是扩散衰减。散射衰减是超声波在传播过程中，由于材料的不均匀性造成多处声阻抗不同的微小界面引起声的散射，从而造成声压或声能的减弱。这种不均匀性可能是多晶材料的晶界、不同相成分的界面、外来杂质等。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传下去，一局部可能最终变为热能，另一局部也可能最终传播到探头，形成回波。吸收衰减的发生，一方面是超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成质点之. z-间的摩擦，从而使一局部声能转变为热能；另一方面是由于介质的热传导，介质的稠密局部和稀疏局部之间进展热交换，从而导致声能的损耗。3声阻抗声波从一种介质传播到另一种介质，在两种介质的分界面上一局部超声波被反射，另一局部透射过界面，在另一种介质部继续传播。这两种情况称之为声波的反射和折射。超声波在两种介质的界面上反射能量和透射能量的变化，均取决于这两种传声介质的声阻抗之比2.2 超声波检测技术的测量方法超声波检测技术按照原理进展分类，可分为：脉冲反射法、穿透法及共振法三种用1脉冲反射法在脉冲源的鼓励下，超声波探头发出连续的超声脉冲进入到介质。当超声波在介质中遇到不连续处时，声能则会在阻抗不连续处发生反射。反射回来的声能由同一个探头或者另外一个探头进展接收，并把它变成电信号显示出来。这种方法称为脉冲反射法。2穿透法穿透法通常采用双探头，分别放置在待测物的两侧。一个探头将脉冲波发射到待测物中，另一个探头接收穿透待测物后的脉冲信号，依据脉冲波穿透待测物后能量的变化来对待测物进展测量。3共振法共振法是指把频率连续改变的超声波射入待测物，根据待测物材料的共振状况测量其厚度或者检查待测物材料有无缺陷的方法。2.3超声波换能器2.3.1超声波换能器的分类超声波换能器是在超声频率围将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声波换能器的种类很多，按照实现超声波换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、电致伸缩是式和压电式。2.3.2超声波压电换能器的工作原理压电型超声波换能器的核心是压电晶片，其主要是借助于压电晶片的压电效应进展工作。一方面，当给压电晶片的两端施加电压时，压电晶片发生形变。其发生形变及要回到平衡位置时，会以其自身固有的频率做一衰减的机械振动，于是压电晶片的机械振动在周围的介质中传播便产生了一个衰减的超声波脉冲信号。此效应为逆效应，用于超声波的发射。另一方面，压电晶片在发生机械形变时，也会在其两端感应出电压。压电晶片在其恢复形变回到平衡位置的衰减振荡过程中，会在其两端产生一个衰减的与压电晶片振动频率一样的交变信号。此效应为正效应，应用于超声波的接收6。. z-2.3.3超声波压电换能器的构造及各局部作用超声波压电换能器的构造如图1所示，压电换能器由压电晶片、保护膜、阻尼块、电缆线等局部组成。斜探头通常还有一块使晶片与入射面成一定角度的斜楔。压电换能器各局部的作用如下7：（1） 压电晶片压电晶片是以压电效应发射并承受超声波的元件，是探头中最主要的元件。晶片的性能决定着探头的性能。晶片的尺寸和谐振频率，决定着发射声场的强度、距离幅度特性与指向性。晶片制作质量的好坏，关系到探头的声场对称性、分辨力、信噪比等特性。晶片可制成圆形、方形或矩形。其中压电晶片材料多为锆钛酸钳PZT。尽管它具有机械品质因数大、不容易获得窄发射脉冲、容易产生横向的其它振动、材料特性差异大等缺点，但它价格廉价，容易制成尺寸较大的、各种形状的晶片，在频率为10MHz以下的探头中，应用非常广泛。2保护膜 由于压电晶片很脆，因此很容易受到损坏。为此，常在晶片前面沾附一层薄的保护膜，以保护晶片和电极层不被磨损或碰坏。3阻尼块阻尼块是又环氧树脂和钨粉等按一定比例配成的阻尼材料，沾附在晶片后面。阻尼块的作用一是对压电晶片的振动起阻尼作用；二是吸收晶片向其反面发射的超声波；三是对晶片起支承作用。4电缆线电缆线可消除外来电波对探头鼓励脉冲及回波脉冲的影响，并防止高频脉冲以电波的形式向外辐射5斜楔斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而安装在晶片前面的楔块。斜楔使探头的晶片和式样外表形成一个严格的夹角，以保证晶片发射的超声波按照设定的入射角倾斜入射到斜楔与试件的界面，从而能够在界面处产生所需要的波形转换，在试件形成特定波形和角度的声束。有了斜楔，晶片就不直接与试件接触，所以，有斜楔的探头就不再需要保护膜。. z-图1 压电换能器Figure 1 Piezoelectric transducers2.4单片机技术单片机是一种集成在硅片上的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。51系列单片机是单片机领域中的一类，也是影响最为深远的。51系列单片机以其强大的可重复编程能力和高的性价比等优点而得到广泛的应用，在家电产品、机器人、仪器仪表、通信设备中主要用于功能控制，是现代电子系统实现智能化的工具。第三章 NaCL溶液超声波浓度检测仪的硬件设计为了获得超声波在Nacl溶液中的传播速度，需要测出两个参数，一个是超声波从发射换能器器到接收换能器器的传播时间t，另一个是Nacl溶液的温度T。为了完成者两个参数的获取，硬件电路应具有以下模块：如系统电路图见附录所示，系统的工作原理为：温度传感器，LCD显示器初始化单片机发射触发脉冲同时开场计时超声波发射电路发射换能器发射超射超声波超声波经过NaCL溶液被接收换能器接收超声波接收电路单片机计时停顿。3.1超声波发射电路超声波发射电路是检测仪的重要组成局部，它的作用是接收单片机产生的电脉冲信号并对其进展放大。另外还需要对信号进展电压放大，以提高超声波的发送能力，为此采用直流高压电源做为超声波换能器的驱动电压。对于单片机来说，高的驱动电压会影响单片机的正常工作，所以在单片机和换能器之间还要考虑隔离，这里采用了光电耦合来对换能器的驱动电路和单片机进展隔离，保证单片机的正常工作。3.1.1超声波发射电路的工作原理发射电路采用非谐振式发射方式，探头只有在其固有频率时才能正常工作但是探头的固有频率会随着环境温度、压力的变化而发生一些变化，因此采用非谐振式发射方式不用人为调整电路的谐振频率等于探头的固有频率，避开了环境变化电路. z-不适应问题的存在。发射电路图如图2所示，发射电路的触发脉冲信号由单片机STC12C5052AD的P1.1口产生。整个电路的工作原理为：当单片机STC12C5052AD的P1.1口输出低电平时，功率开关场效应管IRF540截止，+24V的电压用来驱动超声波换能器。当P1.1口输出高电平时，光耦6N137输出端也为高电平。此高电平信号经场效应管驱动芯片IR2110后将功率开关场效应管IRF840快速导通接通地电位，鼓励超声波探头向外发射超声波。在超声波换能器上并联一个电阻R4，一方面是为了加速消除超声波换能器的余振，另一方面是为了减小发射的声脉冲宽度，提高分辨率8。2超声波发射电路图Figure 2 Ultrasound launch circuit3.1.2超声波发射电路的组成超声波发射电路主要由光电隔离电路、场效应管驱动电路组成。现就这两局部电路进展说明。(1)光电隔离电路超声波发射电路所需的触发脉冲控制信号是由供电电压仅为5V的单片机STC12C5A60S2的P1.1口提供的，而场效应晶体管的漏极电压在+24V。不把单片机和超声波换能器驱动电路进展隔离，单片时机受到驱动电路的电磁干扰，造成单片机产生的脉冲控制信号在一定程度上的失真。因此，为了减小单片机受到驱动电路的电磁干扰，获得比拟好的脉冲控制信号，需要在超声波换能器驱动电路和单片机之间参加由光电耦合器组成的光电耦合电路，以把驱动电路和单片机进展隔离。图中发射电路采用的高速光电耦合器为6N137，6N137为一款隔离电压高达2500V，负载为350时导通延迟仅为45ns的高速光耦8。(2)场效应管驱动电路在超声波发射电路中，场效应管IRF840N的栅极采用了高速光电耦合器6N137隔离驱动方案。场效应管IRF840N的示意图如图3所示，三端分别为：栅极G、漏极(D)及源. z-极(S)。IRF840N为电压控制型沟道增强型绝缘栅功率场效应管，具有输入阻抗高、. z-开关速度快、驱动功率小、热稳定性好、耐压高、平安工作区宽和无二次击穿等特点。其中，IRF840可承受500V的高压，最大导通瞬时电流可达8A，导通后的阻值为0.85，这种特性已经很接近理想开关。图3 IRF540NFigure 3 IRF540N使用MOSEFT最根本的一点就是栅极驱动电路的设计，对于IRF840N，当栅极电压为4V时就已经导通，但是为了使IRF840N获得更好的驱动效果，电路中使用了集成驱动芯片IR2110,将光耦6N137输出的+5V高电平信号转化为+12V来更快的驱动场效应管进展工作。美国国际整流器公司(IR公司) 的IR2110芯片，为一款双通道栅极驱动的集成驱动芯片。该驱动芯片采用CMOS工艺制作，兼容TTL和CMOS逻辑信号输入，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，将输入的逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号9。IR2110各引出端功能分别是：1端LO是低通道输出；2端是公共端；3端Vcc是低端固定电源电压；5端Vs是高端浮置电源偏移电压；6端VB为高端浮置电源电压；7端HO是高端输出；9端VDD是逻辑电路电源电压；10端HIN是高通道逻辑输入；11端SD是输入有效与否的选择端，可用作过流过压保护；12端LIN是低通道输入；13端VSS是逻辑电路的接地端10。. z-图4 IR2110部电路Figure 4 The inside circuit of IR2110IR2110的部具有两个独立的低端和高端输出通道，但在此处只用来驱动一个场效应管进展工作，因此只用到IR2110的低压侧通道。这个低压侧通道由两个推挽相接的N沟道MOSEFT组成。在推挽接法中下侧器件的源级被独立的接到2引脚，以便栅极驱动电流形成回路。IR2110的外围电路比拟简单，控制电源加上几个元件就可以满足MOSEFT的驱动要求，因此也简化了电路8。3.2超声波接收电路超声波接收电路的作用是将超声波换能器接收到的微弱的脉冲信号进展放大比拟等各种处理，成为单片机可以接收的脉冲信号。由于超声波换能器接收到的脉冲信号包含有干扰信号，因此对信号进展放大后还要对其进展滤波，以此来去除干扰信号的影响。此外，脉冲信号最终要以高电平的方式由单片机接收，因此还要对发大滤波后的信号进展检波整形，通过比拟电路输出电平信号。综合分析后确定超声波接收电路主要包括阻抗匹配电路、放大滤波电路、电平转换电路3.2.1阻抗匹配电路 超声波经过换能器接收后信号幅值只有几毫伏，因此要对其进展放大，由于超声波换能器的阻抗很大，一般在106，因此从限幅电路出来的脉冲信号要通过一个阻抗很大的放大器才能与超声波换能器匹配。结型场效应晶体管具有输入阻抗高的特点，所以选用具有结型场效应管输入级的运算放大器LF357。图5 LF357的管脚分布Figure 5 The pin of LF357阻抗匹配电路如图6所示，接收换能器接收到脉冲信号后从LF357的反相输入端输入，电压放大倍数为R3/R2。. z-图6 阻抗匹配电路Figure 6 Impedance matching circuit3.2.2放大及滤波电路阻抗匹配电路是第一级放大，放大及滤波电路是第二级放大。电路图如图7所示图7 放大及滤波电路原理图Figure 7 Principle diagram of amplify and filter circuit由于超声波脉冲信号为高频信号，需要增益带宽积大，转换速度快的运算放大器进展放大，因此在第二级放大中，选用的运算放大器均为LM318，其转换速率为50V/us，增益带宽积为15MHz。第二放样采用反相输入，放大倍数为R6/R5,R4为平衡电阻，其取值应满足R4=R5/R6 (R5和R6的并联阻值)11。从电路图可以看出，超声波脉冲信号在被放大的同时，噪声信号也同时被放大。在实验时通过示波器观察此时的输出波形包含很强的干扰信号，这种干扰信号主要来自实验所使用的电源，为此应当在电路设计上尽量消除或减小噪声信号带来的影响，在这里我们通过在正负电源输入端和地之间加滤波电容来到达滤波的效果。3.2.3电平转换电路经过放大滤波电路后，接收到的超声波信号已经是幅值为5V的正弦信号，此信. z-号不能直接由单片机接收，因为单片机要接收一个电平信号，电平信号必须要持续一段时间才能被单片机扫描到，所以要通过电平转换电路来使正弦信号变为5V的电平信号。锁存器和触发器可用来实现电平变换，但是锁存器是一种对脉冲电平敏感的电路，它只在特定输入脉冲电平下改变输出状态；触发器是一种对脉冲边缘敏感的存储电路，在时钟脉冲的上升和下降沿的变化瞬间改变输出状态12。图8 74LS112管脚Figure 8 The pin 0f 74LS112这里电平转换电路采用74LS112触发器来实现电平转换，74LS112是双下降沿JK触发器，其管脚如图8所示，CLK1、CLK2 时钟输入端下降沿有效，J1、J2、K1、K2 数据输入端，Q1、Q2、/Q1、/Q2 输出端，CLR1、CLR2 直接复位端低电平有效,PR1、PR2 直接置位端低电平有效。电平转换电路如图9所示，74LS112的逻辑功能表中，H代表高电平、L代表低电平、*表示任意、代表高到低跳变，根据逻辑表不难看出，当按照图9的电路连接时，CLR1 和PR1都为高电平，J为高电平，K为低电平，则当输入信号产生下降沿时，74LS112开场触发，1Q端输出高电平，该电平信号可以输入单片机作为单片机停顿计时的触发信号13。图9 逻辑功能表及电平转换电路Figure 10 Function table and the circuit of level switch. z-3.3单片机选择及最小系统3.3.1单片机的选择单片机系统是整个检测系统的控制核心。在整个检测系统中它需要完成以下功能：1为超声波发射电路提供触发脉冲，使超声波发射换能器在驱动电路的作用下向外发射超声波；2对超声波在NaCL溶液中的传播时间进展计时；3采集NaCL溶液的温度，考虑温度对超声波传播速度的影响；4给过零检测电路中的触发器提供使能信号；5存储事先标定好的NaCL溶液浓度、超声波声速及温度三者之间的函数关系式。在本检测系统中选用STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，单片机外观为DIP40封装如图10所示。STC12C5A60S2具有64K的Flash存储器、1280字节的RAM、可寻址64K地址空间的外部数据存储接口，支持ISP/IPA在线系统编程，可通过串口P3.0/P3.1直接下载程序,6个通用的16位定时器，兼容8051的定时器T0/T1.4,。STC12C5A60S2是真正可以独立工作的单片机，其功能均可由用户自行设置使用或关闭。STC12C5A60S2单片机的主要性能如下： 14（1） 高速：一个时钟/机器周期，工作速度是普通51单片机的8-12倍；（2） 宽电压：5.5-3.3V，2.2-3.6V；（3） 低功耗设计：掉电模式可由外部中断唤起，可支持下降沿/上升沿和远程唤醒；（4） 增加外部掉电检测电路：可在掉电时将数据及时保存在EPROM；（5） 工作频率：0-35MHz,相当于普通51单片机的0-420MHz；（6） 8通道10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；（7） 每个I/O口驱动能力均可到达 20mA，但整个芯片不得超过100mA;图10 STC12C5A60S2引脚图Figure 10 The pin of STC12C5A60S2. z-3.3.2单片机最小系统单片机的最小系统是进展单片机实验、电路设计时最简单实用的系统，在最小系统的根底上可以再实现单片机的其它高级功能。对51单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路便构成一个最小系统。本检测系统采用的STC12C5A60S2单片机完全兼容51单片机的功能，所以最小系统是一样的。最小系统包括了上电复位电路、24MHz外部晶振。最小系统电路如图11所示，电容C2和C3均为30pF；复位电路具有上电复位和手动复位功能，复位按键并联在电容两端，由电路图可看出，当系统上电或按下复位键后，RST引脚将出现高电平，而RC的值决定了高电平的持续时间。所以根据普通51单片机的RST引脚只要高电平持续2个机器周期就可以实现复位，以此适当计算RC的值就可以保证可靠复位15。图11 单片机最小系统Figure 11 Minimum system of MCU3.4电源转换电路在整个检测系统中，单片机要使用+5V的电源，温度采集电路要用到-5V和+9V的电源，超声波换能器则要用到高达+150V的鼓励电源。如图12所示，由于实验中使用的供电稳压电源为+12V，因此，首先使用稳压电源集成块LM7809将+12V转换为+9V，给温度采集电路供电；然后用稳压电源集成块LM7805将+9V转换为+5V，得到的+5V电源分为两路，一路给单片机STC12C5A60S2供电，另一路通过ICL766O芯片将+5v电源转化为-5V，以供温度采集电路使用。同时，使用0V250V可调的开关电源作为超声波换能器驱动电路所需要的高压直流电源。. z-图12电源转换电路Figure 12 Powerconversion circuit3.5温度采集电路本检测系统采用DS18B20做为温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的一款分辨率可编程的一线数字温度传感器，DS18B20的外形有多种封装，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，最常用的封装形式和9012三极管一样是To-92,其管脚排列如下：1脚为GND接地、2脚为I/O数字信号输入/输出端、3脚VDD为电源输入端，如图13所示。图13 DS18B20管脚Figure 13 The pin of DS18B20DS18B20的主要性能及参数如下：工作电压3-5V/DC；其测温围是-55+125，固有测温分辨率为0.5；可以通过程序设定9-12位的分辨率，12位分辨率最高为0.0625；部有3字节EEPROM，用户可定义系统设置；每片出厂时写入64位ROM编码，可以进展多点测温。DS18B20与单片机的连接方式如图14所示，可以看出DS18B20的连接电路图14 测温电路Figure 14 Circuit of temperature detection. z-很简单，1脚接地，2脚与STC12C5A60S2的I/O口连接，3脚接+5V电压，另外在I/O口与3脚之间接一个上拉电阻，用来保证温度的正常采集。16173.6显示模块液晶显示器由于其功耗低、体积小、显示容丰富、方便轻巧等优点，在低功耗系统中应用越来越广泛。本系统采用1602作为液晶显示模块,1602与单片机的连接如图15所示18。RT1602C采用标准的16脚接口，其第3引脚为液晶显示器比照度调整接口，当接正电源时比照度最弱，接地时比照度最高，由于过高的比照度会影响显示效果，因此在使用时通过一个10K的电阻调节比照度；5引脚RW为读写端，RW=1进展读操作，RW=0进展写操作；当RS和RW同时为低电平时用于对显示器写入指令或者显示地址；当RS为低电平RW为高电平时读忙信号，RS为高电平RW为低电平可以写入的数据19。图15 1602液晶显示模块与单片机的连接电路Figure 15 The circuit of 1602 Liquid crystal display with MCU第四章 NaCL溶液超声波浓度检测仪的软件设计单片机是整个检测系统的核心，它应该包括脉冲发射程序、显示子程序、温度采集子程序、延时子程序以及计时中断主程序。4.1脉冲发射程序void StartModule() /启动模块，发射脉冲T*=1; T*=0;T*=1; T*=0; T*=1;. z- T*=0; T*=1; T*=0; T*=1; T*=0; T*=1; T*=0; T*=1; T*=0; T*=1; T*=0; T*=1; T*=0;_nop(); 4.2显示子程序void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM) /写数据ReadStatusLCM(); /检测忙LCM_Data = WDLCM;LCM_RS = 1;LCM_RW = 0;LCM_E = 0; /假设晶振速度太高可以在这后加小的延时LCM_E = 0; /延时LCM_E = 1; /*/void WritemandLCM(unsigned char WCLCM,BuysC) /写指令，BuysC为0时忽略忙检测if (BuysC) ReadStatusLCM(); /根据需要检测忙LCM_Data = WCLCM;LCM_RS = 0;LCM_RW = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 1;/*/unsigned char ReadDataLCM(void) /读数据. z-LCM_RS = 1; LCM_RW = 1;LCM_E = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 1;return(LCM_Data); /*/unsigned char ReadStatusLCM(void) /读状态LCM_Data = 0*FF; LCM_RS = 0;LCM_RW = 1;LCM_E = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 1;while (LCM_Data & Busy); /检测忙信号return(LCM_Data); /*/void LCMInit(void) /LCM初始化LCM_Data = 0;WritemandLCM(0*38,0); /三次显示模式设置，不检测忙信号Delay5Ms(); WritemandLCM(0*38,0);Delay5Ms(); WritemandLCM(0*38,0);Delay5Ms(); WritemandLCM(0*38,1); /显示模式设置,开场要求每次检测忙信号WritemandLCM(0*08,1); /关闭显示WritemandLCM(0*01,1); /显示清屏WritemandLCM(0*06,1); / 显示光标移动设置WritemandLCM(0*0F,1); / 显示开及光标设置/*/void DisplayOneChar(unsigned char *, unsigned char Y, unsigned char DData) /按指定位置显示一个字符Y &= 0*1;* &= 0*F; /限制*不能大于15，Y不能大于1if (Y) * |= 0*40; /当要显示第二行时地址码+0*40;. z-* |= 0*80; /算出指令码WritemandLCM(*, 1); /发命令字WriteDataLCM(DData); /发数据/*/void DisplayListChar(unsigned char *, unsigned char Y, unsigned char code *DData) /按指定位置显示一串字符unsigned char ListLength;ListLength = 0;Y &= 0*1;* &= 0*F; /限制*不能大于15，Y不能大于1while (DDataListLength0*19) /假设到达字串尾则退出if (* = 0*F) /*坐标应小于0*FDisplayOneChar(*, Y, DDataListLength); /显示单个字符ListLength+;*+;4.3温度采集子程序*include *include sbit DS18B20=P3_7;*define NOP() _nop_() / 定义空指令*define _Nop() _nop_() /定义空指令void Init_Ds18b20(void) /DS18B20初始化 DQ = 0; delay(32); DQ = 1; delay(30); /*/uchar Read_One_Byte() /读取一个