超声波时差法测量.doc

. 题目： 超声波传输时差法的测量 姓名： . 学号： . 班级： . 同组成员： . 指导教师： . 日期： . 关键词：超声波流量计，时差法，换能器，脉冲第一部分:摘要1. 中文摘要： 超声波用于气体和流体的流速有许多优点。和传统的机械式流量仪表，电磁式流量仪表相比它的计量精度高，对管径的适应性强，非接触流体，使用方便，易于数字化管理等。 近年来，由于电子计术的发展，电子元器件的成本大幅度下降，思潮申博流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。 根据其原理，研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了一定的探讨和研究：根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了相关了解。针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响。在多种测量原理及方法下，这里我们则采用的是多脉冲测量法的原理和应用。 当然，我们还要结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行详细的分析和设计，讨论器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了换能器发射和接收超声波的等效电路，当其换能器发射超声波时，相当于换能器给相应的计数环节给以上升沿脉冲使其开始计数，同理，当换能器接收超声波时也产生一个上升沿脉冲，来作用于相对应的计数器使其停止计数。 针对超声波流量计的工作环境，由于条件的限制，我们只能在普通环境下进行我们的课题设计。对造成超声波流量测量误差的各种因素我们也只能进行常规的分析以及改进。2. 英文摘要： The FV ultrasonic flowmeter is designed to measure the fluid velocity of liquid within a closed conduit.The transducers are a non-contacting, clamp-on type, which will provide benefits of non-foulingoperation and easy installation. The FV transit-time flowmeter utilizes two transducers that function as both ultrasonic transmitters andreceivers. The transducers are clamped on the outside of a closed pipe at a specific distance fromeach other. The transducers can be mounted in V-method where the sound transverses the pipe twice,or W-method where the sound transverses the pipe four times, or in Z-method where the transducersare mounted on opposite sides of the pipe and the sound crosses the pipe once. This selection of themounting method depends on pipe and liquid characteristics. The flow meter operates by alternatelytransmitting and receiving a frequency modulated burst of sound energy between the two transducersand measuring the transit time that it takes for sound to travel between the two transducers. Thedifference in the transit time measured is directly and exactly related to the velocity of the liquid in the pipe.第二部分：目录1 设计任务和要求6 1.1设计任务6 1.2设计要求62 系统设计6 2.1系统要求63 单元电路设计 3.1 单元电路A(单稳态触发电路) 3.1.1电路结构及工作原理 3.1.2电路仿真3.1.3元器件的选择及参数确定 3.2单元电路B(七段显示数码管电路) 3.2.1电路结构及工作原理 3.2.2电路仿真 3.2.3元器件的选择及参数确定 4 系统仿真 4. 1.原理方框图 4. 2.系统工作原理5 电路安装、调试与测试 5.1电路安装 5.2电路调试 5.3系统功能及性能测试 5.3.1测试方法设计5.3.2测试结果及分析6 结论7 参考文献8总结、体会和建议第三部分：第一章：设计任务及要求 1.设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路。 2.设计数码管显示电路，实时显示上述测量值。 3.给出有关器件的选型和参数整定依据。 4.分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施。 5.画出系统详细的硬件接线图。 6.完成实验室仿真、模拟调试，实现主要功能要求。 7.完成设计说明书（含参考文献，器件型号及参数一览表） 8.答辩中能比较准确地回答所提出的问题。 9.加选项：完成流速的计算。第二章：系统设计及要求系统要求：设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路。设计数码管显示电路，实时显示上述测量值。给出有关器件的选型和参数整定依据。分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施。画出系统详细的硬件接线图。完成实验室仿真、模拟调试，实现主要功能要求。完成设计说明书（含参考文献，器件型号及参数一览表）。答辩中能比较准确地回答所提出的问题。加选项：完成流速的计算。第三章：单元电路设计 1.设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。下图是一个555定时器应用实例：晶体管简易测试仪。将晶体管接入由555定时器及外接元件构成的振荡器，被测管放大输入的振荡信号,将输出送给扬声器。根据扬声器的发声，可对被测管性能进行定性的测试。若扬声器无声，说明管子已损坏；若扬声器声音小，则说明管子的小；若扬声器声音大，则说明管子的大。 多谐振荡器是555应用的基本电路，是指电路没有稳定状态(即方波发生器)，只有两个暂稳态，其功能是产生一定频率和幅度的矩形波信号，其输出状态不断在“1”和“0”之间变换。在加电状态下，由于电容C上电压不能突变，故555芯片处于置位状态，u。=1，放电管TD截止(7脚与地断开)，Vcc通过R1，R2对电容C进行充电，当uc上升到时，u0=0，TD导通，电容C端电压通过R2和放电管TD对地进行放电，uc下降。当uc下降到时，u0又由0变为l，TD截止，Vcc又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端u0产生了连续的矩形脉冲。其中，R1，R2和C是定时元件，它们决定了电路的充放电时间。其中，Tl07(Rl+R2)C，T207R2C。 555构成多谐振荡器工作可靠，调节方便，在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛的应用，但其振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫兹；且其频率稳定性较差，易受电源波动、温度变化等影响。图6.2 5G555管脚排列图555定时器的功能 其功能如表表1 555的功能表输入输出VTHVTROUT放电三极管TDd0导通 VR1 VR21截止 VR2不变 VR1 VR20导通由555定时器构成的多谐振荡器的电路结构如图6.14(a)所示。图6.14 多谐振荡器及工作波形2) 工作原理 如图6.14（b）所示，假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，因电容两端电压不能突变， 则有UTH=UC=0，OUT = “1”，放电管截止，直流电源通过电阻R1、 R2向电容充电，电容电压开始上升,充电时间常数=(R1R2)C；当电容两端电压UC时，UTH= =UC，那么输出就由一种暂稳状态（OUT = “1”而放电管截止）自动返回另一种暂稳状态（OUT = “0”而放电管导通），由于充电电流从放电端D入地，电容不再充电，反而通过电阻R2和放电端D向地放电，电容电压开始下降，放电时间常数=R2C；当电容两端电压UC时，UTH=UC，那么输出就由OUT = “0”变为OUT = “1”，同时放电管由导通变为截止；电源通过R1、R2重新向C充电，重复上述过程。 3) 振荡周期 振荡周期T = 。t1代表充电时间（电容两端电压从上升到所需时间）t10.7(R1+R2)Ct2代表放电时间（电容两端电压从下降到所需时间） t20.7R2C因而有T =0.7 (R1+2R2) C对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个参数占空比q，q = tP脉宽。输出波形一个周期内高电平所占时间T周期故图6.13(a)所示电路输出矩形波的q = 这部分的设计是超声波的产生和接收的过程，在这里我们用单稳态触发电路模拟其超声波的发射和接收过程，来控制计数器。其电路图如下： 图1.1 图1.2当换能器发射超声波时相当于此电路Q端输出如图1.2，发射时相当于产生一个上升沿脉冲让相应的顺流计数器计数，或是让其相对应的逆流计数器计数。当换能器接收超声波时也让其产生一个这样的上升沿脉冲来让其相对应的计数器停止计数。 2.设计数码管显示电路，实时显示上述测量值 七段数码显示管是计数器环节的重要部分，七段数码显示管记录了顺流和逆流的时间，这样便能得到其时间差。其七段数码显示管电路图如下： 图2.1上图是计数器，它由七段显示数码管、相应的电阻、4511译码管组成。七段显示数码管显示的数字模拟的事顺流或逆流超声波穿过流体所用的时间或是和信号源相对应的高电平脉冲数。 3.给出有关器件的选型和参数整定依据在超声波传输时差的测量课题中，我们用到的器件有：七段显示数码管、4511译码管、74ls161、555、jk触发器、74ls00、74ls04、电阻、电容、信号源等。接下来详细来介绍部分重要器件：A. 七段显示数码管：长度：20mm 宽度：14mm 市场价格：1元B.4511译码管：长度：18mm 宽度：8mm市场价格：2元CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下： 具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 其引脚图如下：其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 DA、DB、DC、DD、为8421BCD码输入端。 OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。C.74ls161:长度：19mm 宽度：8mm市场价格：2.5元74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能.其引脚图如下图：管脚图介绍：时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。D.555:长度：10mm 宽度：8mm市场价格：1元E.74ls00：长度：18mm 宽度：8mm市场价格：1元74ls00 为四组 2 输入端与非门（正逻辑），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下：型号t（PLH）t（PHL）P(D）5400/740011ns7ns40mW54H00/74H005.9ns6.2ns90mW54S00/74S003ns3ns75mW54LS00/74LS009ns10ns9mW引出端符号1A4A，1B4B 输入端1Y4Y 输出端逻辑图 双列直插封装极限值电源电压.7V输入电压54/7400、54/74H00、54/74S00.5.5V54/74LS007VAB 间电压除 54/74LS00 外5.5V功能表InputInputOutputABYLLHLHHHLHHHLF.74ls04:长度：18mm 宽度：8mm市场价格：1.5元74LS04是6非门(反相器)他的工作电压5V，他的内部含有6个coms反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0，下面是芯片的管脚图G.JK触发器：长度：18mm 宽度 ：8mm市场价格：3元Jk触发器工作原理1.CP=0时，触发器处于一个稳态。CP为0时，G3、G4被封锁，不论J、K为何种状态，Q3、Q4均为1，另一方面,G12、G22也被CP封锁,因而由与或非门组成的触发器处于一个稳定状态，使输出Q、Q状态不变。2.CP由0变1时，触发器不翻转，为接收输入信号作准备。设触发器原状态为Q=0，Q=1。当CP由0变1时，有两个信号通道影响触发器的输出状态，一个是G12和G22打开，直接影响触发器的输出，另一个是G4和G3打开，再经G13和G23影响触发器的状态。前一个通道只经一级与门，而后一个通道则要经一级与非门和一级与门，显然CP的跳变经前者影响输出比经后者要快得多。在CP由0变1时，G22的输出首先由0变1，这时无论G23为何种状态（即无论J、K为何状态），都使Q仍为0。由于Q同时连接G12和G13的输入端，因此它们的输出均为0，使G11的输出Q=1，触发器的状态不变。CP由0变1后，打开G3和G4，为接收输入信号J、K作好准备。3.CP 由1变0时触发器翻转设输入信号J=1、K=0，则Q3=0、Q4=1，G13和G23的输出均为0。当CP 下降沿到来时,G22的输出由1变0,则有Q=1，使G13输出为1，Q=0，触发器翻转。虽然CP变0后，G3、G4、G12和G22封锁，Q3=Q4=1，但由于与非门的延迟时间比与门长（在制造工艺上予以保证）,因此Q3和Q4这一新状态的稳定是在触发器翻转之后。由此可知,该触发器在CP下降沿触发翻转，CP一旦到0电平，则将触发器封锁，处于(1)所分析的情况。总之，该触发器在CP下降沿前接受信息，在下降沿触发翻转，在下降沿后触发器被封锁。功能描述：脉冲工作特性:该触发器无一次变化现象，输入信号可在CP 触发沿由1变0时刻前加入。由图7.6.1可知，该电路要求J、K信号先于CP 信号触发沿传输到G3、G4的输出端,为此它们的加入时间至少应比CP 的触发沿提前一级与非门的延迟时间。这段时间称为建立时间test。输入信号在负跳变触发沿来到后就不必保持，原因在于即使原来的J、K信号变化,还要经一级与非门的延迟才能传输到G3和G4的输出端,在此之前，触发器已由G12、G13、G22、G23的输出状态和触发器原先的状态决定翻转。所以这种触发器要求输入信号的维持时间极短，从而具有很高的抗干扰能力，且因缩短tCPH 可提高工作速度。从负跳变触发沿到触发器输出状态稳定，也需要一定的延迟时间tCPL。显然,该延迟时间应大于两级与或非门的延迟时间。即tCPL大于2.8tpd。 综上所述，对边沿JK 触发器归纳为以下几点：1.边沿JK 触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能；2.边沿JK 触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生；3.由于接收输入信号的工作在CP下降沿前完成，在下降沿触发翻转，在下降沿后触发器被封锁，所以不存在一次变化的现象,抗干扰性能好，工作速度快。其原理图如下： 4.分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施首先，是对其温度的控制来提高它的测量精度；其次，是在焊接过程中，对电路板进行有效的焊接；最后，确保接线与其相应的电路相对应，来确保其测量精度和分辨率。 5.画出系统详细的硬件接线图上图为硬件接线图，并且也是仿真图3.3.2电路仿真。6.原理方框图：换能器A计数器A 换能器B计数器B原理图说明：顺流情况时：当换能器A发射超声波，同时计数器A开始计数，当换能器B接收到超声波时，计数器A停止计数。逆流情况和顺流情况原理相同。7工作原理：时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。 图1时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：式中X是两个换能器在管线方向上的间距。为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：上式可简化为：也就是流体的流速为：第五章 电路安装、调试与测试5.1电路的安装（1） 安装之前必须对电路连接和功能的充分了解。（2） 装之前必须对安装部分个元器件管脚图和功能表的认识。（3） 安装的时候要对电路进行了解，对导线的排布要明确，精简，尽量做到不重叠，不交叉。（4） 对焊锡工艺的了解，尽量避免虚焊，漏焊等常见的焊接错误。5.2电路调试 在实验板上组装电子时钟时,应严格按图连接引脚,注意走线整齐,布局合理,器件的悬空端,清0端,置1端要正确处理。插拔集成芯片时要用力均避芯片管脚在插拔过程中变弯,折断。5.2.1接通电源逐步调试如果出现错误,可先检查各芯片的电源线是否接上,并保证有正常的工作电压。按图在数字电路实验板上连线。它是由同步2位二进制加法计数器CD4511和LED七段数码管组成。观察在CP作用下数码管的显示情况。需要注意的是，CD4511正常工作时，BI及LT为高电平，LE应为低电平。按图实验板上连线。因为74LS161为同步二进制计数器，故需要74LS161及CD4511各2片，按图电路连线。观察在CP作用下(CP为1Hz可直接由脉冲发生器连续脉冲输出端提供)数码管变化情况，验证是否为六十进制计数器及二十四进制计数器。其次安装的是555振荡电路电路。5.2.2按顺序对电路连线和调试5.2.3调试过程中出现的问题及解决方案问题一秒的个位的数码管突然a段不亮。原因：CD4511与a段相连的线由于虚焊导致接触不良，CD4511无法向数码管输出对应的译码电平。解决方案：重新焊接虚焊的导线。问题二所有的数码管均被锁定在了数字四原因： BD4511的LE端口被悬空了，对于TTL 电路悬空就相当于接了高电平，从而将BD4511的端口锁住.。解决方案： 将LE端口接地线。问题三数码管上显示的数字不稳定原因：电路的接口地方接触不良解决方案用万用表检查电路。5.3系统功能及性能测试 通过对电子钟加以5伏的稳压直流电源观察，电子钟的基本功能计时以及扩展功能整点报时均得以实现 第六章结论及心得体会其中绝大部分是数字部分、逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、编码器、译码器显示等基本原理。数字部分是典型的时序逻辑电路，包含了计数器，二进制数，二百五十六进制，十进制数的概念。通过本次电子电路的设计，为数字电路的制作提供思路。我学到了很多东西，最重要的是去做好一个事情的心态，也许在你拿到题目时会觉得困难，但是只要你充满信心，一步一个脚印去实现它，就肯定会完成的。有时候画的线和其它线重要合时会看不到，有时又会明明连的是这个端点，一移动时却连到任外一个端点了，再加上电路有这么大了，显示器的界面宽度又有限，所以做起来有点麻烦，一但搞不好就要重新来，这个时候就要你有足够的耐心了。从这次设计中我觉得我学到了以下东西：对于数字逻辑一些基本知识有了更深的了解,了解很多集成门电路芯片的使用,增强了面对困难勇于面对，勇于解决的信心。以往每做一次课程设计，感觉自己的收获总会不少，这次也不例外。做课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关数字钟的原理与设计理念，要实现电路功能总要先设计,成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与理想的完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。在做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过图书馆和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。在实验过程中我们曾经遇到过问题。一个是在电路接好之后计数的显示结果不正确,经分析，检查后我们请老师帮我们检查了，知道了是电路中有些