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DZ160气体泄漏超声检测系统的设计,毕业设计
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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 38 页 引言 传统的泄漏检测方法是将待测物品充入水或其它介质，通过观察，测量在特定时间内充入介质的减少量 (如通过检测液面的降低等 )来实现的，这是一种直接的测量方式。基于这种方法又派生出另一种方法，即将待测物品充入一定压力的气体介质 (通常为压缩空气 )，而后置水中观察，以被测物品周围是否产生气泡作为是否泄漏的标准。 随着技术的进步及检测方法的改善，所谓 “ 绝对不漏 ” 或 “ 无泄漏 ” 只是一个数量上的概念，这一观念，已被人们所接受。判别一个测量物品漏或者不漏需要一个更为准确的、数量上的标准，特别是对一些需测量微小泄漏 的场合。 泄漏检查仪的出现为以上问题提供了一个较好的解决办法，它使得泄漏检测过程更加便捷，测量结果也更为可靠。在采用泄漏检查仪的基础上，再辅以上、下料机构、自动密封装置及电气控制、液压、气动系统等等即可组成一个可用于加工生产线上的泄漏检查设备 试漏机。试漏检查仪的出现使得零部件的泄漏在线检测成为可能，采用这种装置可满足批量生产中对零部件泄漏情况检测的要求，大幅提高产品的品质质量。 本课题主要 设计一种气体泄漏检测系统 。 1 方案的选择与论证 1.1 方案一 1.1.1 绝对压力法 绝对压力法测量系统如 图 1-1所示，由气源、空气过滤器、压力表、充气阀、压力传感器等部分组成。测量过程如下： 图 1-1 绝对压力法测量原 理 充气：充气阀开启，向待测件内充入规定压力的气体； 稳定：充气阀关闭，经过一定时间后使得充入气体达到一个测量所必须的稳定状态 。压力传感器将稳定阶段结束 (测量阶段开始 )前的压力值设定为一个测量的零点； 测量：在规定的测量时间内，检测系统检出压力的变化值 P ，与设定的压力变化极限值进行比较，从而做出合格或不合格的判定； 排气：测量结束后将测试件内部气体排入大气中。 典型的测量压力 -时间之间关系如图 1-2所示。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 36 页 图 1-2 测量压力 -时间曲线 1.2 方案二 1.2.1 压差法 压差法测量原理见图 1-3。压差法测量过程与绝对压力法相似，与绝对压力法不同之处在于压差法采用一个参考件加入测量系统中，用压差传感器记录测量阶段测量件与参考件之间的压力变化值 P 。 图 1-3 压差法测量原理图 压差法与绝对压力法类似，都是通过测量压力变化值间接地测量泄漏率值。 1.3 方案三 1.3.1 超声波检测法 超声波检测 原理 是 利用超声波匀速传播且可以在金属表面发生部分反射的特性，来进行管道探伤检测，它通过电子装置，发送出超声波的高频（大于 20KHz）脉冲，射到管壁上。反射回的超声波，再通过传感器（探头）接收回来，经过信号放大，显示出来波形。由于不同部位处反射到探头上的距离不同，因而超声波返回的时间也不同。检测器的数据处理 单元便可通过计算探头接收到的两组反射波的时间差乘以超声波传播的速度，得出管道的实际壁厚。这样，既可按照时间差显示出的波形，根据标定，测量出管壁厚度或缺陷以及腐蚀尺寸等。 由于 传统的泄漏检测方法如绝对压力法、压差法、气泡法等 ,操作复杂并且对技术人员要求较高 ,而且不具有实时性。目前 ,工业上广泛利用泄漏产生超声波的原理来进行泄漏检测。利用超声波检测气体泄漏位置 ,不仅方法简单 ,而且准确可靠。基于此 ,本文研究并设计了一种超声波气体泄漏检测系统。 2 气体泄漏检测的设计原理 2.1气体泄漏产生超声波 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 36 页 如果一个容器内充 满气体 ,当其内部压强大于外部压强时 ,由于内外压差较大 ,一旦容器有漏孔 ,气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时 ,冲出气体就会形成湍流 ,湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波 ,如图 2-1所示。声波振动的频率与漏孔尺寸有关 ,漏孔较大时人耳可听到漏气声 ,漏孔很小且声波频率大于 20kHz 时 ,人耳就听不到了 ,但它们能在空气中传播 ,被称作空载超声波。超声波是高频短波信号 ,其强度随着离开声源 (漏孔 )距离的增加而迅速衰减。因此 ,超声波被认为是一种方向性很强的信号 ,用此信号判断泄漏位置相当简单。 图 2-1 气体泄漏产生超声波 2.2 声压与泄漏量的关系 泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力 P与泄漏孔口直径 D决定了湍流声的 声压级 L。著名学者马大猷教授推出如下公式 1: 40220 0 0()8 0 2 0 l o g 1 0 l o g( 0 . 5 )D P PLD P P P 0 20dB Pa （ 2.1）式中 ,L 为垂直方向距离喷口 1m 处的声压级 (单位 :dB);D 为喷口直径 (单位 :mm);D01mm;P0为环境大气绝对压力 ;P为泄漏孔驻压。 由此可知 , 在与泄漏孔的距离一定时 ,泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的变化而变化的。 泄漏产生的超声波频带比较宽 ,一般在 20kHz到 100kHz 之间。在不同的频率点 ,超声波的能量是不同的。实际上 ,它的频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的变化 而变化的。比如 :在一定的泄漏孔径和压力下 ,如果 泄漏超声波 的频谱峰值是在38kHz 点 ,那么加大孔径以后它的频谱峰值可能出现在 36kHz 点 ;如果孔径不变 ,加大系统内外压差 ,频谱峰值可能出 现在 43kHz点。但是在同一频 率点 ,对于形状相同的泄漏孔 ,泄漏所产生的超声波的声强随泄漏量的增大而增大。另外 ,如果泄漏量恒定 ,即泄漏面积一定 ,则泄漏孔的形状越接近于圆形 ,声压越高。当泄漏孔的雷诺数 用式 (2)表示时 ,在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图 2-2所示。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 36 页 图 2-2 声压级与雷诺数的关系 epVDR （ 2.2） 式中 , 为气体密度 ; 为粘度 ;V为流速 ;D 为力学平均直径。 由图 2-2可知 ,如果能检测出 泄漏 孔附近在某一个频率点的声强 ,则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。对于该泄漏孔 ,由于它的力学平均直径是 确定的 ,所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。但是对于不同的泄漏孔 ,并不知道它的力学平均直径 ,因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。在工业上 ,对于管道气体 ,由于有源源不断的气体补给 ,管道里面的气压一般都是恒定值。而对于工业容器 ,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱 ,容器当中的压力变化非常缓慢 ,所以可以认为在一段时期内是恒定值。 当系统内外压力一定时 ，对于不同的泄漏孔 ， 它的泄漏流速都是一定的 ， 可以用公式 （ 2.3） 来表示 : 112 / ( 1 ) /( ) /0 . 5 2 8 1()0 0 . 5 2 80 . 2 5 8 8K k kV K p R T （ 2.3） 式中 ,V 为气体流速 ;p 为管内压力 ;P0 为环境大气绝对压力 ;T1 为绝对温度 ; P0/P;R为气体常数 ;K= ,对于空气 ,k=1.4,则 K=2.646。 当雷诺数、气体流速知道以后 ,就可以反求出该泄漏孔力学平均直径 D,即可得出泄漏量。通过以上分析得出 :只要能检测出距离泄漏点 一定距离的超声波在某一个频率点的强度 ,再给出泄漏系统内外 压力 ,就可以估算出气体泄漏量 。 3 超声检测电路设计原理与各单元电路的概述 3.1 电路系统的硬件实现过程 小孔气体泄漏所发出的超声波强度是极其微弱的 ,而且在工业场合 ,环境噪声是 相当大的。所以要检测出在恶劣环境下的气体泄漏所发出的超声 ,必须对系统信号放大部nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 36 页 分进行精心的设计。在本系统中只检测 40kHz 点的 泄漏超声波 的强度 ,原因是通过实验得出 ,在 40kHz点的泄漏超声波能量都是比较大的 ,而且泄漏声和 本底噪声 能量差值也最大 (如图 3-1所示 )。这样选择可以增加系统灵敏度。 图 3-1 本底噪声与泄漏声声压图 系统原理如图 3-2 所示。系统分为模拟和数字两部分 ,模拟部分包括信号放大电路和音频处理电路等。信号放大电路由前置放大电路、带通滤波电路和二次放大电路组成。音频处理电路由本振电路、混频器、功率驱动电路组成。数字部分主要由 单片机 和 LCD、RAM、键盘等外围设备组成。传感器信号经过放大滤波以后 ,一路交由 单片机 处理 ,另一路通过降频转化为可听声。下面分别介绍 各部分原理 图 3-2系统原理图 3.2 各单元电路的介绍 3.2.1 超声探头的原理 超 声探头也称为 超声波传感器 ， 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 放 大 电 路 超声 探头 前 置 放 大 带 通 滤 波 精 密 检 波 A / D 电 路 LCD 键盘 单片机 稳压电源 放 大电 路混频器 本 振 电 路 功 率 驱 动 耳 机 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 36 页 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的 一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： （ 1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （ 2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （ 3） 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低 。 3.2.2 前置放大电路 由于超声波信号十分微弱，一般都是毫伏级，有的甚至是微伏级，所以必须经过前置放大器的放大，才能在示波器显示或记录其波形。 在这里我选择了 双电路、低噪声运算放大器 NE5532/A。 运算放大器 NE5532/A 具有 双电路、 低漂移、低功耗、低噪声及体积小等特点，其特性 是 ：输入失调电压 500V；温度漂移 5V/ ；偏置电流 200nA；增益带宽积GB=10MHz；转换速率 9V/S；噪声 5nV/HZ（ 1KHz）；消 耗电流 8mA； 3 22V 电源；差模电压 0.5V；共模电压 Vs；功耗 1000mW； 封装形式：如图 3-3所示 ； 图 3-3 NE5532/A 封装 图 前置放大电路 ：如图 3-4所示 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 36 页 图 3-4 前置放大电路 3.2.3 带通滤波器 二阶有源 RC 带通滤波器 （ 1）二阶有源 RC 带通滤波器的幅频特性 图 3-5所示电路为二阶有源 RC 带通滤波器，运算放大器构成同相放大器，其闭环增益为 411 RRA F ， (利用这一点可以判断运算放大器工作是否正常 )。采用复频域分析， 图 3- 5 二阶有源 RC 带通滤波器 可以得到电压转移函数为： 22 )1()1()1(2)(RCSRCSSRCSH （ 3.1） nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 36 页 根据二阶基本节带通滤波器电压转移函数的典型表达式： H SKQSSQSPPPPP( ) 2 2（ 3.2） 可得增益常数 2K ， 中心频率 0 1 P RC， 品质因数 1 PQQ 。 正弦稳态时的电压转移函数可写成 222 )(1)1()1()()1(2)(PPPjQKRCjRCjjRCjH（ 3.3） 其幅频函数为 ： 222 )(1)1(12)(PPPQKRCRCjH（ 3.4）由上式可见 ： 当 0 时， 0)0( jH 当 时， 0)( jH 当01 RCP时， 2)(0 KjH 其幅频特性如图 3-6所示。 图 3-6 二阶有源 RC 带通滤波器幅频特性 与无源情况相比，由于品质因数提高，通频带宽度00 QB减小，滤波器的选择性改善；此外，还能提供增益 (K=2)。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 36 页 3.2.4 精密检波电路 用普通检波二极管作检波器时，由于其 正向伏安特性不是线性的，因此在小信号下，检波失真相当严重。另外，二极管的正向压降随温度而变，所以检波器的特性也受温度影响。用运算放大器构成的精密检波器，能克服普通二极管的缺陷，得到与理想二极管接近的检波性能。而且检波器的等效内阻及温度敏感性也比普通检波器好得多。 如图 3-7所示：当 Usr为负时，经放大器反相， Usc0， D2截止， D1 导通。 D1的导通为放大器提供了深度负反馈，因此，放大器的反相输入端 2为虚地点，检波器从虚地点经过 R2输出信号。所以 Usc=0。 当 Usr为正时， Usc0) 。 由于运放的开环增益 Go1 很高，因此当输入信号为正时，只要 Usr UD/Go1,就会使 D2导通，而且 D2一旦导通，放大器就处于深度的闭环状态，非线性失真非常小，从小信号开始，输入和输出之间就是具有良好的线性关系。它的死区电压非常小，等 于二极管的正向压降 UD 的 1/Go1 倍。设 D2 导通时检波器的反馈系数为 F，则这种精密检波器的内阻和温度系数为普通检波器的 1/(Go1 F)倍，当 R2R1时，检波器还兼有电压放大作用，可将信号放大 R2/R1倍。 图 3-7 精密检波电路 3.2.5 A/D 转换电路 A/D转换器有并口输出 ADC0809和串行口输出 ADC0831 A/D0809的工作过程大致为：首先输入地址选择信号，在 ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中模拟量输入。然后输入启动转换控制信号 START（不应小于 100us） 启动转换。 A/D 转换一开始，芯片内部就立即将结束标志 EOC 变为低电平，nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 36 页 当从 CP（ CLOCK）引入 8个时钟脉冲信号后， A/D 转换即告完成，此时 EOC变为高电平，同时将数码寄存器的转换结果输入到输出三态缓冲器中，在允许输出信号 OE的控制下，在将转换结果输出。 但由于本系统规模较小且要其精度不高，而 ADC0809虽然转换速度较快但连线较多，我不予采用，而用连线较少的 ADC0831就可以满足要求。 A/D转换芯片 ADC0831，其工作电压为 +5V，采用逐次逼近式转换结构，转换时间与单片机的时钟频率有关。与微 处理器接口时只需 3根线， DO其中为 A/D 转换数据串行输出， CLK 为时钟信号， CS 为片选信号， ADC0831 的工作时序如图 3-8 ，图 3-8 所示，在第二个 CLK的下降沿后， DO输出最高位 MSB， 8个时钟后转换完成。 图 3-8 ADC0831 的工作时序 3.2.6 单片机与键盘、 LCD 的连接电路的设计 利用启点开发板可以很容易的完成 LCD 显示 ,具体如下 : 1602 采用标准的 14 脚接口 ， 其中 : 第 1 脚： VSS 为地电源 第 2 脚： VDD 接 5V 正电源 第 3 脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚： RS 为寄存器选择，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： RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 RW 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 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 7 14 脚： D0 D7 为 8 位双向数据线。 另外引脚 A和 K为背光引脚 ,A接正 ,K接负便会点亮背光灯 . 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，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nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 36 页 一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“ A”的代码是 01000001B（ 41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“ A” 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令。 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明： 1 为高电平、0 为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方 向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平 时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示5x10 的点阵字符 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置 指令 8： DDRAM 地址设置 指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据 指令 11：读数据 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。 图 3-9单片机与 LCD 的连接电路 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 36 页 void test_busy(void) uchar i=1; do P0=0xff; RS=0; RW=1; E=1; if(P0&0x80)=0) break; E=0; while(-i!=0); /*/ void ENABLE(uchar order) P0=order; _nop_(); RS=0; _nop_(); RW=0; _nop_(); E=0;_nop_(); test_busy(); _nop_(); E=1; _nop_(); void writedata(uchar digital) P0=digital; _nop_(); RS=1; _nop_(); nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 36 页 RW=0; _nop_(); E=0; _nop_(); test_busy(); _nop_(); E=1; _nop_(); /*/ void resetlcd(void) /*lcd 初始化设置 */ DELAY(); /*/清除屏幕 */ ENABLE(0X01); /*/8 位点阵方式 */ ENABLE(0X38); /*/开显示 */ ENABLE(0X0c); /*/移动光标 */ ENABLE(0X06); /*/显示位置 */ /ENABLE(0X80); 单片机与键盘的连接电路 一般的具有人机对话的单片机系统少不了会有键盘。键盘接口的原理与应用许多的教材都有介绍，但通常各有各的方法，各有各的优劣。下面就我对单片机键盘接口的了解和应用对单片机直接驱动键盘的接口原理及应用作一个说明，并附加相应键盘的汇编子程序和 C 语言子函数。 我以键盘的数目来选择键盘最适合的接法和最佳的编程方法，对各键盘接口的方法的优缺点加以说明。 1*4 按键的单片机键盘接口： 当键盘的数目最多为 4 个时，我最佳的接口 方案当然是独立式接法了，即每一个 I/O 口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地）。占用的 I/O 口数最大为4 条。（注意： 14 按键的键盘的接法许多，如果接成扫描式可以占用更少的 I/O 口，但从程序复杂性和系统稳定性的综合考虑的话，独立式键盘接法应该是首选） 独立式键盘的实现方法是利用单片机 I/O 口读取口的电平高低来判断是否有键按下。例如，将常开按键的一端接地，另一端接一个 I/O 口，程序开始时将此 I/O 口置于高电平，平时无键按下时 I/O 口保护高电平。当有键按下时，此 I/O 口与地短路 迫使I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使 I/O 口仍然保持高电平。我所nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 36 页 要做的就是在程序中查寻此 I/O 口的电平状态就可以了解是否有按键动作了。 值得注意的事，在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般在 10200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒级的单片机而言则是慢长的。为了提高系统的稳定，必须 去除或避开它。目前的技术有硬件去抖动和软件去抖动，硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，但是实现的难度较大又会提高了成本。软件去抖动不是去掉抖动，而是避开抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。这里我们只研究软件去抖动，实现方法是先查寻按键当有低电平出现 时立即延时 10200 毫秒以避开抖动（经典值为 20 毫秒），延时结束后再读一次 I/O 口的值，这一次的值如果为 1 表示低电平的时间不到 10200 毫秒，视为良好。 图 3-10 键盘接口电路 3.2.7 本振电路 NE555 时基电路封形式有两种，一是 DIP 双列直插 8 脚封装，另一种是 SOP-8 小型（ SMD）封装形式。其他 HA17555、 LM555、 CA555 分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。 NE555 属于 CMOS 工艺制造，下面我将对其进行介绍。 图 3-11是它的内部功能原理框图，图 3-12 是它的内部等效电路。 NE555 的内部 中心电路是三极管 Q15 和 Q17 加正反馈组成的 RS 触发器。输入控制端有直接复位 Reset端，通过比较器 A1，复位控制端的 TH、比较器 A2 置位控制的 T。输出端为 F，另外还有集电极开路的放电管 DIS。它们控制的优先权是 R、 T、 TH。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 36 页 图 3-11 内部功能原理框图 图 3-12是内部等效电路 表 1 是 NE555 的极限参数，不同的封装形式及不同的生产厂商的器件这些参数不尽相同，极限参数是指在不损坏器件的情况下，厂商保证的界限，并非可以工作的条件，如果超过某一环境下使用，其间的 安全性将不会得到保证，这使用中应加以注意。 表 1 NE555 的极限参数 电源电压 允许功耗 工作温度 储藏温度 最高结温 +18V 600mW -10 +70 军用 -55 +125 -65 +150 300 3.2.8 混频电路 混频器的作用是变频（或混频），是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。 一般用混频器产生中频信号： 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行 峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。 3.2.9 低通滤波 二阶有源 RC 低通滤波器 (1)二阶有源 RC低通滤波器的幅频特性 图 3-13 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 36 页 图 3-13 所示电路为二阶有源 RC 低通滤波器，运算放大器 A 构成同相放大器，其闭环增益为 211 RRA F , (利用这一点可以判断运算放大器工作是否正常 )。采用复频域分析，可以得电压转移函数为： 222)1()1()1(2)()()(RCSRCSRCSUSUSHio （ 3.5） 根据二阶基本节低通滤波器电压转移函数的典型表达式： 22 )1()1()1(2)(RCSRCSSRCSH （ 3.6）可得增益常数 K=2， 极点频率 P RC 1， 极偶品质因数 1PQ 。 正弦稳态时的电压转移函数可写成： PPPQjKj R CCRjH 1112)(22222（ 3.7） 其幅频函数为： 2222222222)()(1)1(2)(PPP QKCRCRjH（ 3.8） 由上式可见： 当 0 时， 2)0( KjH 当RCP 1 时， 2)( KQjHPP当 时， 0)( jH 其幅频特性如下图 3-14所示 与无源情况相比，由 于 QP增大，随着频率增加幅值函数减小较慢；此外，还能提供增益，即 K=21。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 36 页 图 3-14 二阶有源 RC 低通滤波器幅频特性 3.2.10 音频功放电路 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在 6V 电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW,使得 LM386特别适用于电池供电的场 合。 LM386 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 特性 : 1、 静态功耗低，约为 4mA,可用于电池供电。 2、 工作电压范围宽， 4-12V or 5-18V。 3、 外围元件少。 4、 电压增益可调， 20-200。 5、 低失真度。 图 3-15音频功放电路 3.2.11 整流滤波电路与稳压电路 整流电路是将工频交流电转 换为脉动直流电。 滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。直流电源的方框图如图 3-16 所示 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 36 页 图 3-16整流滤波方框图 1桥式整流电路 （ 1）工作原理 桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图 3-17（ a）所示。 在分析 整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图 3-17（ a）的电路图可知： 当正半周时，二极管 D1、 D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管 D2、 D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图 3-17（ b）。 (2)参数计算 根据图 3-17（ b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为 （ 3.9） 流过负载的平均电流为 （ 3.10）流过二极管的平均电流为 （ 3.11）二极管所承受的最大反向电压 （ 3.12） nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 36 页 （ a）桥式整流电路 （ b）波形图 图 3-17 桥式整流电路 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数 S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。 （ 3.13）（ 3.14）（ 3）桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系 （ 3.15） 该曲线如图 3-18所示，曲线的斜率代表了整流电路的内阻 。 2滤波电路 滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器 C对直流开路，对交流阻抗小，所以 C 应该并联在负载两端。电感器 L对直流阻抗小，对 交流阻抗大， nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 36 页 图 3-18单相桥式整流电路的负载特性曲线 因此 L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。 (2)电容滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图 3-19 所示，在负载 电阻上并联了一个滤波电容 C。 图 3-19电容滤波电路 (3)滤波原理 若 v2 处于正半周，二极管 D1、 D3 导通，变压器次端电压 v2 给电容器 C 充电。此时C 相当于并联在 v2 上，所以输出波形同 v2 ，是正弦波。 当 v2 到达 t=/2 时，开始下降。先假设二极管关断，电容 C 就要以指数规律向负载 L放电 。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过 t=/2 时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过 t=/2 时二极管仍然导通。在超过 t=/2 后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断 。 所以在 t2 到 t3 时刻，二极管导电，充电， Vi=Vo按正弦规律变化； t1 到 t2 时刻二极管关断， Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为 RLC。电容滤波过程见图 3-19。 需要指出的是，当放电时间常数 RLC 增加时， t1 点要右移， t2 点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之， RLC 减少时，导 通角增加。显然。当 L很小，即 IL很大时，电容滤波的效果不好，见图 3-20 滤波曲线中的 2。反之，当 L很大，即 IL很小时，尽管 C 较小 , RLC 仍很大 ,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的 3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 (4)电容滤波电路参数的计算 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 36 页 图 3-20 电容滤波电路波形 图 3-21 电容滤波的效果 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法： 一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在 RLC=（ 35）的条件下，近似认为 VO=1.2V2。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 22 页 共 36 页 (5)外特性 整流 滤波电路中，输出直流电压 VO随负载电流 IO的变化关系曲线如图 3-22所示。 图 3-22 电容滤波外特性曲线 稳压电路 引起输出电压不稳定的原因 理想的稳压电路输出电阻 Ro=0,则 Vo与负载 RL无关，为了降低 Ro,稳定 Vo,高质量的稳压 电路必须采用深度电压负反馈以改善电路性能。 引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图 3-23。 负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。即 （ 3.16） 图 3-23稳压电源方框图 稳压电路的技术指标 用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。 VI和 IO引起的 VO可用下式表示。 （ 3.17）(1)稳压系数 Sr 稳压系数的定义为 ： nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 23 页 共 36 页 （ 3.18） （ 2）电压调整率 SV （ 3.19）电压调整率是特指 VI/VI= 10%时的 Sr。 （ 3）输出电阻 Ro （ 3.20）（ 4）电流调整率 SI 电流调整率 SI的定义是当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。 （ 3.21）（ 5）纹波抑制比 Srip Srip定义为输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。 （ 3.22）（ 6）输出电压的温度系数 ST （ 3.23）如果考虑温度对输出电压的影响 , 则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数。 （ 3.24） 图 3-24整流滤波电路与稳压电路 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 24 页 共 36 页 4超声检测的软件设计 因为系统要完成测量泄漏超声的声压级、估算泄漏量以及完成显示功能 ,所以 系统软件部分主要是 由信号采集子程序、滤波子程序、 FFT变换程序、泄漏估算子程序、 LCD显示子程序、键盘服务子程序 六 大模块组成，因为 C语言编写的软件易于实现模块化，生成的机器代码质量高、可读性强、移植好，所以本系统的软件采用 C 语言编写 。列出程序设计的总体思路 ,如图 4-1 所示 。 本文所介绍的超声波泄漏检测系统具有精度高、体积小、便于携带和具有很好的人机交互界面等特点。该系统还利用 单片机 等技术实现了对泄漏量的估算 。 下面 根据 图 4-1 主程序流程图 介绍软件的具体设计 （ 1） 首先将单片机系统、 LCD、 A/D转换、滤波器系数、 FFT旋转因子初始化； （ 2） 键盘扫描子程序 由于机械触点的弹性作用，在键被按下或弹起时会出现电压抖动，从最 初按下到接触稳定要经过数毫秒的弹跳时间，如 错误！未找到引用源。 所示。为保证键识别的准确，必须进行去抖动处理，去抖动有硬件和软件两种方法。硬件方法就是加去抖动电路，从根本上避免抖动；软件方法有很多种，例子程序主要是利用主程序的循环扫描，主程序循环一次，扫描一次按键，当连续 N次扫描到的键值都一样时，则说明是稳定的按键值。 显示子程序完成符号、数值的显示输出。 （ 3） A/D采样子程序 信号采集与 A/D转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。 （ 4） FIR滤波子程序 滤 波算法的设计： 这里主要采用了算术平均值滤波法的方法， 一般在设计平均值滤波程序是，要考虑消除较为明显的脉冲干扰，即将远离真实值的采样值剔除，不参加平均值计算，从而使平均值更接近真实值。算法原理为：连续采用几次，将其累加求和，同时找出其中的 最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按 N-2 个采样值求平均，即得有效采样值。为使平均滤波方便， N-2 最好取， 2、 4、 8、 16，这样的除法实际上执行右移指令即可完成。具体做法有两种：对于快变参数，先连续采样 N 次，然后在处理，但要在 RAM 中开辟出 N 个数据的暂存区。对于 慢变参数，可一边采样，一边处理，而不必在 RAM 中开辟数据暂存区。 （ 5） FFT 变换子程序 在进行 FFT变换子程序的设计时，因为 基四算法比基二算法快，并且频率抽取算法比时间抽取算法 能更好的发挥单片机并行运算能力 ，所以采有基四频率抽取算法 （ 6）声强计算及泄漏量估算子程序 （ 7） 显示子程序设计 显示子程序完成符号、数值的显示输出。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 25 页 共 36 页 图 4-1 主程序流程图 5 电路的调试过程 电路调试过程的步骤如下 （ 1）首先检 查稳压电源，其中正负 12伏电压供给功放电路，正负 5伏提供给单片机电单片机系统初始化 LCD初始化 A/D转换初始化 滤波器系数初始化 FFT旋转因子初始化 开 始 键盘扫描子程序 A/D采样子程序 FIR滤波子程序 FFT变换子程序 声强计算及泄漏量估算子程序 显示子程序 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 26 页 共 36 页 路； （ 2）其次检查各芯片管脚的电压是否满足工作电压，包括单片机， NE555， NE5532芯片等； （ 3）接着在前两步认真完成的基础上，进入整体电路的调试，该电路包括两路调试； （ 4）第一线路的测试：输入 5 毫伏，频率为 40K 的正弦波，用示波器测量该信号的波形，信号通过超声探头到达前置放大电路，其中包含了两级放大，第一级放大 100倍，第二级放大 10 倍，它们是用电容耦合而成的。输出的波形为 5 伏，频率为 40K 的正弦波； （ 5）通过放大器后，信号进入 带通滤波器，输出波形的中心频率为 40K，带宽为 38K至 40K； （ 6） 该信号进入精密检波电路，精密检波电路的作用是将正弦波转变为电压为 5伏 的直流信号； （ 7） 最后信号 A/D转换电路进行 AD采样。 （ 8） 第二线路的测试：由本振电路产生频率为 37K的多谐振荡波； （ 9） 在端口 1输入频率为 38-42K的正弦波并与 37K的多谐振荡波进行混频，混频后 进入低通滤波器后，得到频率 0-3K的信号； （ 10） 最后信号进入音频功放电路，喇叭口处产生响声，此完成整个调试过程。 6 结论 本文设计和制作了气体泄漏超声波检测系统， 该电路主要以性能稳定、简单实用为目的，整体制作符合要求。 通过概述使大家充分了解了该检测系统的原理与功能。从摘要和引言部分
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