超声波工业水表的设计.doc

1绪论 超声波流量检测技术是近年来迅速发展起来的新技术，它利用超声波在流体中传播所载的流体流速信息来测量流体流量。与传统的涡街、电磁等流量计相比，超声波流量计具有非接触、无压损、精度高、造价低、结构简单、测量范围宽等特点。尤其是超声波流量计体积小、造价与口径无关，它解决了工业测量中大口径测量设备制造、运输困难和造价高的突出问题，使它特别适合临时管道、大口径管道的流量测量，在工业供水系统中得到了广泛应用。1.1 流量计的发展概况 几千年前，人们为适应农业灌溉和水利建设的需要，已开始关注流量测量问题，古埃及出现了堰的雏形，我国都江堰在那时也已经知道利用宝瓶口岩壁上所刻“水则”，来观察水位，以进行控制。 18世纪以来，人们对流量测量的研究水平不断提高，各种流量测量理论和测量装置层出不穷。1738年，瑞士人丹尼尔伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量;后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果;1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。20世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。自1910年起，美国开始研制测量明渠中水流量的槽式流量计。1922年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。1911一1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论。1945年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。由于经济生产落后，直到二十世纪50年代，工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。二十世纪60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在70年代问世。微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。近30年来，后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。目前国外投入使用的流量计有100多种，随工业生产的自动化、管道化的发展，流量计在整个仪表生产中所占比重越来越大。 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产，时至今日，我国已成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业。但是我国现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计的技术水平与国际先进水平有较大的差距。随着国内市场的国际化，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。因此，开展高性能流量计的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表行业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要的意义。1.2 超声波流量计的发展概况 超声波流量计(Ultrasonicflocter)是一种向流体发射超声信号，在其受到流体流动影响之后再接收此超声信号并将检测结果用于流量测量的计量器具。 H1928年德国人研制成功了第一台超声波流量计，但此流量计仅限于研究阶段;直到1955年，一种基于声循环法的MAxsoN超声波流量计开始用于测量航空燃油l3，超声波流量计从研究阶段进入应用阶段。前苏联在这方面的研究是独立进行的，其第一台超声波流量计出现在1956年。1958年A.L.H一ERDRIcH等人发明折射式探头，进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，为管外夹装提供理论依据。20世纪70年代，由于集成电路技术的发展，超声波流量计克服了精确度低、响应慢、稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。80年代超声波流量计出现了射束位移法，多普勒法，相关法及噪声法等。90年代以后，随着单片机、DSP、FPG、CPLD等技术的发展，超声波流量计向高性能和智能化方向快速发展，超声波流量计开始进入工业测量领域。 近10年来，由于数字信号处理、超声换能器材料、声道配置以及流体动力学等学科研究水平的提高，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。目前超 声波流量计正在向高精度、多功能、智能化、低功耗、低成本方向发展。国外的超声波流量计研究机构和生产厂家多在美国、欧洲和日本，他们的产品精度高、可靠性好，但价格昂贵。目前，国外超声波流量计生产厂商主要包括美国的Daniel、Controlotron，德国的Elster、Kemel，荷兰的xnstent，日本的Toshiba、Fuji等公司。我国的超声波流量计研究工作起步较晚，通过广大科技工作者的不懈努力和引进外国先进技术，国产的超声波流量计也开始批量生产并投入使用。目前，国内从事超声波流量计的研究与制造的厂商主要有唐山的汇中、美伦、惠斯特，大连索尼卡、海峰、铭锐等公司。1.3 选题依据及研究意义随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高的要求。在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并为越来越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表的种类也越来越多。尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的发展。超声波流量计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的首选工具2。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间(速率)会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的方法。时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。1.4 本设计的主要工作本文围绕堰式超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成和设计原理。本文内容由以下5部分组成:（1）分析了超声波工业水表的发展现状及工作原理，并说明了超声波测流量的优点。（2）超声波工业水表的发射电路设计；（3）超声波工业水表的接收电路设计以及显示电路设计；（4）超声波工业水表的软件设计；（5）总结论文完成的内容，并针对不同的场合提出了改进方案。2方案论证与设计2.1 系统方案选定2.1.1 采用单片机来控制的超声波工业水表采用单片机来控制的超声波工业水表是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，记下顺流是的时间和逆流的时间，根据时间算出流速。 F原理框图如2.1所示：开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测电声换能器电声换能器驱动电路图2.1 采用单片机来控制的超声波测距仪2.1.2 采用CPLD来控制的超声波工业水表采用CPLD来控制的超声波工业水表，主要是在软件上运用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编写程序使用MAX+plus II软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测速结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。2.1.3 采用锁相环频率合成技术采用锁相环频率合成技术，也可以实现我们所需要的超声波工业水表。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生超声波所需要的频率，在通过信号线将采用锁频率相合成技术得到的频率引到超声波的发射头上，这样就可以实现超声波测距。它的优点就是工作频率可调，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。它的原理如图2.2所示。晶振整形电路R分屏鉴相器FDFD环路滤波器LF压控振荡器VCO可变分频器Nfm 图2.2锁相环频率合成技术总框图2.2 系统总体原理框图基于单片机的超声波工业水表。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，算出顺流和逆流的时间，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发流量管速度(s)，即：，其中，D为换能器与障碍物之间的距离，C为波声传播速度，T为超声波发射到返回的时间间距。本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。由键盘，LCD显示构成人机对话通道，构成由单片机最小系统来控制的超声波工业水表，其结构框图如图2.3所示。单片机最小系统发射、接收（模拟电路）信号保持（数字电路）按键、LCD显示图2.3 系统构框图 3系统硬件设计3.1 超声波概述3.1.1 超声波超声波是指振动频率高于20KHz的机械波，它可以在气体、液体、固体或固液混合体中传播。与一般声波相比，它的振动频率高，波长短，具有束射特性，可以定向传播，具有很高的穿透能力，在流体中传播时，随着传播距离的增加，能量会逐渐衰减。3.1.2 时差法超声波流量计的基本原理当超声波在流动的介质中传播时，相对于固定坐标系统(例如管道中的管壁)来说，其传播速度与在静止介质中的传播时有所不同，其变化值与介质流速有关。由于超声波脉冲在顺流和逆流中的传播速度不同，其在介质中的传播时间也不同。时差法就是根据超声波脉冲在顺流和逆流中的时间差来计算介质流速的，其基本原理如图3.1所示换能器B换能器ADV 图3.1时差法原理图图中换能器A、B为两个超声波换能器，均可以发射或接收超声波信号，采用外夹式安装在圆形管道两侧，介质流动方向如图所示，管道直径为D，超声波传播方向与介质流动方向夹角为，若超声波在静止介质中的传播速度为C，则超声波顺流传播时间tAB和逆流传播时间tBA分别为: （3.1） （3.2）其中，D为管道直径，C为超声波在介质中的声速，V为介质流速，t为声路延时，包括超声波在管壁中的传播时间和信号在电路中的延迟时间。由式(3.1)和式(3.2)可以得到超声波在介质中顺、逆流传播的时间差 （3.3）通常C2V2cos,式。可以简化为： （3.4）有式可得介质流速V： （3.5）3.1.2时差法超声波工业水表原理的改进由于超声波在介质中的传播速度与温度、压力等参数有关，如果直接使用式(3.5)会给仪表校准带来很多实际困难，并且在实际测量中也不能准确地测量流体的流速和流量。在实际应用中，通常使用改进的计算方法，去掉公式中的超声波声速，从而准确实现精确的流量测量。具体方法如下:首先将式(3.1)、式(3.2)修改为: (3.6) (3.7)有式（3.6）（3.7）可计算流体流速V: (3.8)但是，通过式(3.8)计算得到的流速与实际流速殊并不一致，在实际应用中通常需要乘以一个流速修正系数K: (3.9) (3.10) （3.11)由式(3.11)可以得到流体的瞬时流量q。本方法避免了求解声速C的困难，也避免了温度对测量结果的影响，可以得到较准确稳定的测量结果。由于电路和声路都不可避免地带来一定的延时，所以流量计系统实际测量得到的时间都包含各种时间延迟，在实际计算时需要将其减去。另外，得到介质流速后还可以求出介质中超声波的传输速度C: (3.12)由于声速与介质种类以及现场的压力、温度都有关，声速还可以诊断测量中出现的一些问题，用于仪表的自检。3.2 控制模块电路的设计单片机最小系统电路由时钟电路，复位电路，键盘电路加显示电路构成。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52芯片的管脚、引线与功能AT89C52芯片图如图3.2所示。3.2.1 引脚信号介绍P00P07 ：P0口8位双向口线。P10P17 ：P1口8位双向口线。P20P27 ：P2口8位双向口线。P30P37 ：P3口8位双向口线。图3.2 AT89C52芯片管脚访问程序存储器控制信号：当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。外部程序存储器读选取通信号：在读外部ROM时有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。RST复位信号：当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。VSS：地线 VCC：+5V电源3.2.2 P3口的第二功能如表3.1所示表3.1 P3口的第二功能口线第二功能替代的专用功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0定时器0的外部输入P3.5T1定时器1的外部输入P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通3.2.3 AT89C52的总线结构AT89C52的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口部分P3外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚构成了三总线形式，即：1. 地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接地址外围为64K字节。16位地址总线由P0经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。2. 数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0口提供。3. 控制总线 （CB）：由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、ALE、组成。AT89C52结构框图如图3.3所示。时钟电路ROMRAM定时/计数器CPU并行接口串行接口中断系统P0P1P2P3TXDRXD/INT0/INT1T0T1T2复位电路 图3.3 AT89C52结构框图3.3 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚X1，其输出端为引脚X2。而在芯片的外部，X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器,只要在单片机的X1和X2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，本次毕业设计电容采用33pf，晶振用12MHZ.时钟振荡电路如图3.4所示。图3.4时钟振荡电路图3.4 复位电路复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作。通常单片机复位电路有两种：上电复位电路，按键复位电路。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。它利用的是电容充电的原理来实现的。按键复位电路：它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。如果要实现复位的话，只要按下RESET键即可。它主要是利用电阻的分压来实现的在此设计中，采用的按键复位电路。本设计选用第二种上电复位与按键均有效的各单位电路。按键复位电路如图3.5所示.本设计选用第二种上电复位与按键均有效的各单位电路。 图3.5 按键复位电路3.5 单片机键盘电路 键盘电路是很多设计中很重要的组成部分。它主要是输入设备。单片机应用系统中键盘有独立式和行列式两种。独立式键盘：独立式键盘中，每个按键占用一根I/O口线，每个按键电路相对独立。I/O口通过按键与地相连，I/O口有上拉电阻，无键按下时，引脚端为高电平，有键按下时，引脚电平被拉低。I/O口内部有上拉电阻时，外部可不接上拉电阻。行列式键盘：行列式键盘键数比较多，从按一个键到键功能被执行主要包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是那一个键，另一项是键功能的实现，第一项是接口电路来实现的，而第二项是通过执行中断服务程序来实现的。具体来说，键盘借口应完成以下操作功能：（1）键盘扫描，以判断是否有键按下。（2）键识别，以来确定闭和键的行列位置。（3）产生闭和键的键码。（4）排除多键，串键以及抖动。本次设计中采用的是独立式键盘，键盘电路图如图3.6所示.图3.6 独立式键盘图3.6 LCD显示器LCD显示器是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向特性实现显示信息的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低，显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可以分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可以显示数字、字符和符号等。而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。字符形液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。它是由若干个5*7或者是5*11等点阵符位组成的，每个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间，有一定点距间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。要使用点阵型LCD液晶显示器，必须要有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD液晶显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储的写入的命令和显示字符的点阵。现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以显示所需的信息。目前市面上常用的有16字*1行、16字*2行、20字*2行和40字*2行等的字符液晶显示模块。这些LCM虽然显示字数各个相同，但是都具有相同的输入输出界面。3.6.1 字符型液晶显示模块RT-1602C的引脚功能RT-1602C采用标准的16脚接口，各引脚情况如下：第1脚：VSS，电源地；第2脚：VDD，+5V；第3脚：VL，液晶显示偏置电压；第4脚：RS，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第5脚：读/写选择，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平时为低电平时可以写入数据。第6脚：E，为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。第7至14脚：D0至D7，为8位双向数据线。第15脚：BLA，背光源正极第16脚：BLK，背光源负极3.6.2 字符型液晶显示模块RT-1602C的内部结构液晶显示模块RT-1602C的内部结构可以分为三部分：一、LCD控制器，二、为LCD驱动器，三、LCD显示装置。如图3.7所示。ER/wRsV1VddVssLCD控制电路LCD驱动电路LCD显示装备图3.7 晶显示模块RT-1602C的内部结构图控制器采用HD44780，驱动器采用HD44100。HD44100是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。HD44100是作扩展显示字符位的。HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。HD44780集成电路的特点： 1. 可选择5*7或5*10点字符。 2. HD44780不仅可以作为控制器，而且还具有驱动16*40点阵液晶像素能力，并且HD44780的驱动能力可通过外接驱动器扩展360列驱动，HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5*80=400点，HD44780内藏有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具有驱动16*40点阵LCD的能力（即单行16个字符或两行8个字符）。如果在外部一HD44100外扩展多40路/列驱动，则可驱动16*2LCD。 3. HD44780的显示缓冲区DDRAM、字符发生存储器（ROM）及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯处内。HD447803有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H-27H，40H-67H，它们实际显示地址的顺序跟LCD的型号有关。这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符教都有一个固定的代码。如数字“1”的代码是00110001B（31H），又如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），可以看出英文字母的代码与ASCII编码相同。要显示“1”时，只需将ASCII码31H存入DDRAM指定的位置，显示模块将在相应的位置把数字“1”的点阵字符图形显示出来，我们就能看到数字“1”了。 4. HD44780具有8位数据和4位数据传输两种方式，可与人4/8位CPU相连。 5. HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。显示电路如图3.8:图3.8显示电路3.7 超声波发射接收模块超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础、应用十分广泛的通用技术之一。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。因此，我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃。在国民经济中，对提高产品质量、保障生产安全和设备安全运行、降低生产成本、提高生产效率等具有重要的意义。超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用超声波使物体或物件发生变化的功率效应，称之为功率超声；利用超声波获取若干信息，称为检测超声。这两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器(或称为换能器、或探头)来实现。一般说来，人们可听到的声音频率范围大约为20Hz20kHz，即为可听声波。超过此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。一般说话的频率范围为100Hz8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，利用这种性质就可制成超声波传感器，系统中就是利用了高频超声波反射能力强的特点，来实现距离的测量。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，一般为340 m/s，这就使得超声波传感器的使用变得非常简单。超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。3.7.1 超声波的三种形式超声波在介质中可产生三种形式的波：横波质点振动的方向垂直于波的传播方向；纵波质点振动方向与波的传播方向一致；表面波质点振动介于纵波与横波之间，沿物体表面传播。横波只能在固体中传播；纵波能在固体、液体和气体中传播；表面波能在固体、液体中传播，随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。超声波的频率越高，与光波的某些性质越相似。超声波与其他声波一样，波速与介质密度和弹性特性有关。3.7.2 超声波的物理性质(1) 超声波的反射和折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时，一部分声波被反射，另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播，这种现象称为声波的反射和折射。如果声波斜入射到两固体介质界面或两粘滞弹性介质界面时，一列斜入射的纵波不仅会产生反射纵波和折射纵波，而且还产生反射横波和折射横波，这种现象称为超声波的波型转换。(2) 超声波的衰减超声波在一种介质中传播时，其声压和声强按指数函数规律衰减。例如，若衰减系数为1dB/mm，声波穿透1mm则衰减1dB；声波穿透20mm，1dB/mm20mm20dB，即衰减90。(3) 超声波的干涉如果在同一种介质中传播频率相同、振动方向相同两列及以上的声波，就会产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的周围将形成一个包括最大和最小的超声场。3.7.3 超声波传感器能将（交流）电信号转换成机械振动而向介质中辐射（发射）超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置称为超声波传感器（或称为超声波换能器、超声波探头）。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接受超声波。 超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头、液浸探头和聚焦探头等。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用的是压电式探头 本设计采用压电式探头传感器MA40S2R/S，其特性见下表：表3.2 超声波传感器MA40S2R/S的特性 种类特性MA40S2R接收MA40S2S发送标称频率40kHz灵敏度-74dB以上-100dB以上带宽6kHz以上（-80dB）7kHz以上（-100dB）电容1600pF1600pF绝缘电阻100M以上温度特性-20+60范围内灵敏度变化在-10dB以内3.7.4 超声波发射电路超声波传感器探测物体的方法又可分为直接方式和反射方式两类。该设计采用直接方式如图3.9所示。图3.9超声波发射原理图多谐振荡器的工作原理： 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。 由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。 由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1R2）C。超声波信号由单片机产生，信号经过三极管后驱动超声波换能器发送超声波，途中碰到障碍物就立即返回。否则认为没有探测到物体。此电路有两个三极管构成推拉式驱动电路，三极管工作在开关状态。当信号线来一个低电平时，三极管Q1导通，Q1的集电极高电平， Q2导通，Q2的集电极为低电平，从而使超声波换能器工作。在此电路图中的电容（C1）起隔直耦合作用。3.7.5 超声波接收电路超声波接收电路的电路图如图3.10所示。图3.10超声波接收原理图此电路由信号放大部分，检波部分，电压比较部分和信号保持部分组成，收到的信号经过两级放大，再通过倍压式峰值检波电路检波，得到一个基本稳定的信号，再通过与电压比较器比较，若信号电压大于参考电压，则输出高电平，若低于参考电压则输出为低电平，若输出高电平，则RS触发器触发，输出高电平，且一直保持下去，直到单片机给出控制信号，触发器回到低电平状态。超声波从发射到接收时间间距的测量，是由单片机内部的计数器（如T0）来完成的 。超声波从发射到接收的时间间隔的测量, 是由单片机内部的计数器(如T0) 来完成的。在CPU 停止发送脉冲群后, 由于电阻尼, 换能器不会立即停止发送超声波, 在一定时间内仍然发送。这段时间的存在使系统不能够测量比较近的物体, 形成所谓的“盲区”, 需要对盲区时间产生的信号进行屏蔽, 不同性能的超声波换能器的盲区有所差异, 以一个通道工作的时序为例进行说明, 如图3.11所示。25微妙盲区2设计测量最大距离矩形脉冲T0计时器比较器中断信号需屏蔽图3.11 一个通道的工作时序3.8 总电路图 超声波工业水表总电路图见附录一4系统软件设计4.1 软件设计方法及仿真软件介绍超声波工业水表的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。超声波工业水表的仿真软件是用prote 99 SE，这是一块非常强大的软件，对于本次毕业设计中非常重要，本论文的复位电路，时钟电路，显示电路，超声波的接受和发射电路，就是用此软件仿真的。4.2 单片机的使用资源情况 硬件资源使用说明： P1.0P1.3为键盘输入端 P0口用作数码管位控 P2口用作数码管段控 采用了定时/计数器T0和T1中断既在AT89S52的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED7LED0)构成的显示器，用P2口作LED的段码输出口（P0.0P0.7对应于LED的adp），P0口作LED的位控输出线（P1.7P1.0对应于LED的18），其中在P2的并行口外接8个三极管作为显示驱动，显示为八个数码管（LED0LED7）进行动态显示。P1口外接四个按键K1、K2、K3、K4（对应于P1.0P1.3）用于调整显示接口电路，P1.6接一个发光二极管，表示开启超声波测距功能。4.3 软件模块功能介绍4.3.1 软件设计的主体思路 在本系统中，在总体软件设计的过程中，我采用的思路是：利用物理学里的声音在空气中传播的原理，在开启测试超声波的一瞬间，打开单片机的计数器0，开始计时，同时开启外部中断，并设置外部中断的触发方式为下降沿触发，然后再设计程序的时候等待外部中断来临的时候关闭定时器0，将定时器0计的时间当做超声波在距离障碍物之间传播的总体的时间，利用相应的公式设计相应的程序计算出相应的距离。但是，采用这样的方式不排除有的时候超声波的接收端在发射端发出信号后收不到信号的可能性，在这种情况下，要采用另外一种方案：在发出信号一段时间后如果没有收到信号需要将计时器清零，然后重新开始计数，直到产生外部中断的请求为止。4.3.2 主要寄存器参数设置 在超声波的测距的设计中，首先要设计的参数就是定时器0的参数设置，由于采用的超声波的探头的性能的限制，只可以测试20米范围以内的距离，所以采用 方式0就可以了，TH0=0x00,TL0=0x00,这样最大的计数范围可以达到60毫秒，这样的话，定时器的TMOD=0x00,由于采用外部中断的方式，所以将外部中断打开，即IE=0x80,同时还有设置的参数有：IT0=1(外部中断信号以下降沿的方式触发)，EX0=1(允许外部中断)。4.4 程序流程图主函数的流程图如图4.1所示，LCD显示流程图如图4.2所示，超声波发射接收程序流程图如图4.3所示，键扫子程序流程图如图4.4所示，即使程序4.5所示。NYYNNY 发射等待回拨等待回拨中断服务是否键按下 发射实时控制手动控制数据运算状态选择 开始 显示超声发射图4.1 主函数流程图在LCD显示的程序的设计的过程中，主要采取先系统初始化，然后判忙，写控制命令，在写数据，再延时，最后就能够显示相应的信息了。 开始 初始化检查忙信号写数据函数NO写命令函数延时图4.2 LCD显示流程图显示子程序：/*液晶显示*/void writercom(uchar q) /写命令/E=1; RS=0; RW=0; P0=q; E=0; delay(20); void writerdata(uchar o) /写数据/ E=1; RS=1; RW=0; P0=o; E=0; delay(20); void writer_d(uchar *u) /写数据串/while(*u) writerdata(*u+); void xsinit(void)writercom(0x01); /清屏 / writercom(0x38); /使用8位数据，显示两行，使用5*7的字型/ writercom(0x0c); /显示设置，不显示光标，字符不显闪琐/ writercom(0x06); /光标从左往右移，内容不移/ 在超声波的程序的设计的过程中，主要的思路是:首先是定时器的初始化，然后开启定时器0，当接收到外部中断请求的信号时候关闭定时器0，转去执行相应的处理程序。定时器初始化发超声波定时器返回停止发射图4.3 超声波发射程序流程图超声波发射程序：/*超声波发射程序*/void sen() uchar times=0; TMOD=0x12; /定时器1工作在定时方式1，定时器0工作在定时方式2/ IE=0x84; /中断设置/ TH0=244; TL0=244; TR0=1; TR1=1; /开定时器/ while(1) while(TF0=0); sg=sg; times+; TF0=0; if(times=20)break; /翻转20次，发送10个脉冲信号的超声波/ TR0=0; times=0;在键盘的处理的程序中，主要的思路是：首先调用键功能处理程序，判断是否有键按下，如果有键按下，延时一段时间，然后继续判键，如果第二次真的有键按下，则表示有键按下，这时候转去执行相应的键功能程序。NOYSENOYSE判断键号调用显示子程序键是否释放延时子程序 开始是否有键按下 返回图4.4 键扫子程序流程图键盘子程序：/*状态1，手动控制*/void unauto()while(ii) while(k-) writercom(0xba); writer_d(Press K4 measure); /提示按K4发射超声波/ if(k4=0|k3=0)ii=0;break; delay(2000); k=20; while(k-) writercom(0xba); writer_d( ); if(k4=0|k3=0)ii=0;break; delay(2000); k=20; ii=1; ctl=0; sen(); /调超声波发射程序/ delay(50); ctl=1; /*状态2，实时监控*/void aut()writercom(0xba); writer_d(Designer: GUOBIN); ctl=0; sen(); delay(50); ctl=1; ztxz()while(k3=0&aa=0) while(1) if(k3=1)break; aa=1; while(k3=0&aa=1) while(1) if(k3=1)break; aa=0; 计时程序流程图： 开始 等待按键 调入数据运算 等待中断 判时计N图4.5 时差程序流程图时差子程序：/*主程序*/main()xsinit(); /LCD初始化 /inptt(); while(1) while(!aa) unauto(); break; while(aa) aut(); break; while(k-) /等待回波/ ztxz(); /状态切换键判断/ delay(2000); k=20; dataxs(); /数据处理 / 4.5 程序清单程序清单见附录二5安装与调试5.1 调试 5.1.1 软件调试系统软件设计、调试的过程如图5.1所示 YNNY有逻辑错误？