畢業(yè)設(shè)計(jì)基于at89s52單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量儀的設(shè)計(jì)

1、 基于AT89S52單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量儀的設(shè)計(jì)綜述風(fēng)，特別是井下安全生產(chǎn)中具有重要參考意義，作為氣象環(huán)境中最活躍的因素，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝敗，武器性能的發(fā)揮有著舉足輕重的影響風(fēng)能的利用，也要求人們對(duì)風(fēng)速資源進(jìn)行長時(shí)間的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，風(fēng)速測(cè)量的儀器主要有熱線式、熱膜式、以及風(fēng)杯式三種。這幾種原理的風(fēng)速儀測(cè)量精度低、范圍小、測(cè)量周期長、持續(xù)工作時(shí)間短，且測(cè)量結(jié)果易受外部環(huán)境因素的影響。因此不能滿足高效、快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)代化軍事和長時(shí)間工作、智能化數(shù)據(jù)處理的風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需求。本設(shè)計(jì)采用壓電式超聲波換能器，使用AT89S52單片機(jī)作為控制器，完成了超聲波風(fēng)速測(cè)量儀的軟硬件設(shè)計(jì)。采用匯編語言編程的方法，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)

2、果的計(jì)算和顯示。設(shè)計(jì)完成后能做到，LED數(shù)碼顯示清晰穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測(cè)距儀最大誤差不超過0.05m/s。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、鍵盤，溫度補(bǔ)償電路，超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用89S52或其兼容系列。采用11.0592MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。系統(tǒng)采用555定時(shí)器產(chǎn)生145kHz的方波信號(hào)，利用計(jì)數(shù)T1口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路整形濾波后輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陰極LED數(shù)碼管，段碼用電阻器驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)。超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路主要由555定時(shí)器，74LS1

3、23構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、放大環(huán)節(jié)，和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，LM555多諧振蕩器端口3輸出的145kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)觸發(fā)電路，放大電路后送到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用加入耦合電容C4，用以提高發(fā)射驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R6一方面可以提高三極管的放大輸出能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)在下文中有介紹，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；

4、反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志T和R。超聲波檢測(cè)接收電路壓電式超聲波換能器S將收到的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)R7、R8、R9、C5、C6和1/4 LM324組成的選頻放大電路放大后，送檢波電路Dl、C7、R10進(jìn)行包絡(luò)檢波，檢出渦街信號(hào)。渦街信號(hào)在電壓比較器和RC濾波電路構(gòu)成的整形濾波環(huán)節(jié)中與輸入的基準(zhǔn)電壓1/2Vcc作比較，被整形為與風(fēng)速成正比的矩形波，信號(hào)周期隨檢波信號(hào)變化而變化。超聲波風(fēng)速測(cè)量儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，

5、超聲波接收程序及顯示，鍵盤子程序，溫度補(bǔ)償子程序組成。我們知道匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波風(fēng)速測(cè)量儀的程序要求精細(xì)計(jì)算（單位時(shí)間內(nèi)的整形完成的超聲波矩形方波個(gè)數(shù)時(shí)），所以控制程序采用匯編語言混合編程。超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波風(fēng)速傳感器是利用穿過空氣的超聲波被旋渦調(diào)制，從已調(diào)波中檢出旋渦頻率來測(cè)定風(fēng)速的。F、S為一對(duì)諧振頻率相同的超聲波換能器，F(xiàn)為發(fā)射換能器，發(fā)射145 kHz等幅超聲波；S為接收換能器，接收被旋渦調(diào)制了的聲波。當(dāng)無旋渦時(shí)，接收換能器S接收到等幅波信號(hào)；有旋渦時(shí)，由于旋渦內(nèi)部的壓力梯度和旋渦的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了超聲波的折射、反射和吸收效應(yīng)

6、，使接收到的信號(hào)幅度減小。旋渦通過聲束后，接收到的信號(hào)又恢復(fù)常態(tài)。因此，超聲波幅度變化頻率與旋渦的頻率一致，從接收換能器上檢測(cè)出超聲波束幅度變化次數(shù)即可測(cè)得風(fēng)速值?；居?jì)算公式為：f旋渦頻率，Hz ；v氣流速度，ms ；d旋渦發(fā)生體直徑，mm；St斯特拉哈爾系數(shù)(雷諾數(shù)在20050 000范圍內(nèi)，St為常數(shù))。超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器與其它形式的風(fēng)速傳感器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)無可動(dòng)部件，無機(jī)械磨損，性能穩(wěn)定，使用壽命長；(2)輸出本身就是與風(fēng)速成線性關(guān)系的脈沖頻率信號(hào)，沒有零點(diǎn)漂移，且敏感元件靈敏度變化不會(huì)直接影響輸出，測(cè)量精度高；(3)輸出信號(hào)不受流體特性(溫度、濕度、壓力、成份、密度、粘

7、度、礦塵等)影響。此類傳感器在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：風(fēng)速測(cè)量；卡曼渦街；單片機(jī)AT89C52；溫度補(bǔ)償The Design of Ultrasonic Wind Meter Based on SCMSummary: Wind, especially mine safety has important reference value, as the meteorological environment, the most active factor, the victory of the war, weapons performance to play a decisiv

8、e effect on the use of wind energy, wind resources also requires that there be lengthyaccurate monitoring.At present, the wind speed measurement apparatus main hot wire, hot-film, and the wind cup of three.This principle of wind speed measured several low precision, range of small, measuring cycle i

9、s long, continuous working hours, and the measurement results vulnerable to external environmental factors.Can not meet the efficient, rapid and accurate modern military and long working hours, intelligent data processing, the demand for wind monitoring. This design uses piezoelectric ultrasonic tra

10、nsducer, using AT89S52 MCU as controller to complete the ultrasonic velocity meter hardware and software design.Assembly language programming method used to achieve the measurement results of the calculation and display.Design can be completed, LED digital display clear and stable, reliable measurem

11、ents, range finder error is less than 0.05m / s. Upper resistor R6 on the one hand can increase the output capacity of the amplification transistor, on the other hand can increase the ultrasonic transducer damping effect, shorten the time of its free oscillations.Piezoelectric ultrasonic transducers

12、 is the use of piezoelectric crystal resonance to the work.The internal structure of ultrasonic transducers are introduced below, it has two chips, and a piezoelectric transducer plate.When its poles plus pulse signal, the frequency is equal to the natural oscillation frequency of the piezoelectric

13、chip, the piezoelectric resonance occurs, and promote the vibration of ultrasonic resonance board, then it is an ultrasonic generator; the other hand, if the two electrodesno applied voltage, when the board receives the ultrasonic resonance, it will be pressure for piezoelectric vibration, the mecha

14、nical energy is converted to electrical signals, then it becomes an ultrasonic receiver transducer.Ultrasonic emission transducer and receiver transducer is slightly different in structure, use the device on the signs should be to distinguish between T and R. Ultrasonic detection receiving circuit P

15、iezoelectric ultrasonic transducer S will receive the ultrasonic signals into electrical signals, and by R7, R8, R9, C5, C6, and 1 / 4 LM324 amplifier circuit composed of frequency selective amplification, the submission wave circuits Dl, C7, R10 Enveloping, vortex signal detection.Vortex signal in

16、the hysteresis voltage comparator and RC rate than plastic filter circuit composed of the input links of the reference voltage 1/2Vcc comparison with the wind speed is proportional to the plastic rectangular wave signal period varies with the detection signal. Ultrasonic wind speed measuring instrum

17、ent software design mainly by the main program, ultrasonic receiving procedures and display, keyboard subroutine, temperature compensation subprogram.We know the assembly language program is a high efficient and easy to run precise calculation of the time, and ultrasonic velocity measurement instrum

18、ent procedures require precise calculations (per unit time to complete the ultrasonic plastic rectangle when the number of square wave), the control programMixed programming using assembly language. Ultrasonic Range Finder Algorithm Ultrasonic wind sensor is the use of ultrasound through the air by

19、the vortex modulation, has been transferred from the vortex frequency waves were detected to determine wind speed.F, S is a pair of the same resonant frequency ultrasonic transducer, F for the launching transducer, emission 145 kHz ultrasonic amplitude; S transducer for the receiver to receive sound

20、 waves modulated by the vortex.When no vortex, the receiving transducer receives the amplitude S wave signal; a vortex, because of the pressure gradient within the vortex and the vortex rotation, leading to ultrasonic refraction, reflection and absorption effects, so that the received signal amplitu

21、dereduced.Vortex through the beam, the received signal is back to normal.Therefore, the ultrasonic frequency and amplitude changes in the frequency of vortex line, from the receiving transducer to detect changes in frequency ultrasonic beam amplitude can be measured wind speed values.Basic formula i

22、s:f = St * v / d f - vortex frequency, Hz; v - flow velocity, m / s; d - bluff body diameter, mm; St - coefficient (Reynolds number in the range of 200 to 50 000, St is a constant). Ultrasonic vortex wind speed sensor and compared to other forms of wind speed sensor has the following advantages:(1)

23、no moving parts, no mechanical wear, stable performance, long life;(2) The output itself is a linear relationship between wind velocity and pulse frequency signals, no zero drift, and the sensor sensitivity change would not directly affect output, high accuracy;(3) The output signal from fluid prope

24、rties (temperature, humidity, pressure, composition, density, viscosity, mineral dust, etc.) affected.Such sensors in coal mine safety monitoring system has wide application prospects.Key words: wind speed measurement; Karman vortex street; SCM AT89C52; temperature compensation目錄綜述.ISummary.IV第1章 緒論

25、.1 1.1課題的背景和意義及任務(wù).1 1.2 國內(nèi)外超聲波風(fēng)速儀的現(xiàn)狀.1 1.3 超聲波風(fēng)速儀的研究內(nèi)容.3第2章 超聲波風(fēng)速儀測(cè)量原理及其總體設(shè)計(jì).4 2.1 超聲波風(fēng)速儀原理.4 2.2 超聲波傳感器工作原理.6 2.3 超聲波測(cè)距的總體設(shè)計(jì).9第3章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其硬件設(shè)計(jì).11 3.1 單片機(jī)系統(tǒng)及復(fù)位電路設(shè)計(jì).11單片機(jī)AT89S52的結(jié)構(gòu).11單片機(jī)系統(tǒng)及復(fù)位電路設(shè)計(jì).16 3.2 報(bào)警電路.17 3.3 顯示電路設(shè)計(jì).18 3.4 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì).18 3.5 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì).23 3.6 鍵盤.30第4章 軟件設(shè)計(jì).32 4.1 主程序.32 4.2 超聲波接收子

26、程序.34 4.3 顯示子程序.36 4.4 鍵盤子程序.37 4.5 計(jì)算子程序.39第5章 抗干擾處理.41 5.1 硬件抗干擾處理.41 5.2 軟件抗干擾處理.43總結(jié).44參考文獻(xiàn).45致謝.46附錄A.47附錄B.52第1章 緒論1.1課題的背景和意義及任務(wù) 計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛。流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、學(xué)研究有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)過程是流量測(cè)量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與控制。對(duì)流體流量進(jìn)行正確測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗

27、、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。 利用超聲波風(fēng)速流量計(jì)來測(cè)量生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)-風(fēng)速，特別是使井下通風(fēng)量得到保證，保證安全生產(chǎn)。此外在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，流量測(cè)量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴?，必須?duì)污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 本設(shè)計(jì)提供基于卡曼渦街原理的超聲波風(fēng)速測(cè)量裝置，該裝置利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器和單片機(jī)微處理器。超聲波傳感器在流動(dòng)空氣介質(zhì)中收，發(fā)超聲波，檢測(cè)頻率發(fā)生變化的矩形方波，通過計(jì)算式來求得風(fēng)速。 課題的任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波風(fēng)速測(cè)量儀，要求測(cè)量范圍在0.10m/s100m/s，測(cè)量精確度0.05m/s，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。1.2

28、國內(nèi)外超聲波風(fēng)速測(cè)量儀的現(xiàn)狀 超聲波流量計(jì)是基于超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的速度等于被測(cè)介質(zhì)的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設(shè)計(jì)的。它也是由測(cè)流速來反映流量大小的。超聲波流量計(jì)雖然在70年代才出現(xiàn)，但由于它可以制成非接觸型式，對(duì)流體又不產(chǎn)生擾動(dòng)和阻力，所以很受歡迎，是一種很有發(fā)展前途的流量計(jì)。國外早在1878年斯特勞哈(Strouhal)就發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的文章，斯特勞哈數(shù)就是表示旋頻率與阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的相似準(zhǔn)則。超聲波渦街流量計(jì)是在流體中安放一根(或多根)非流線型阻流體(bluffbody)，流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦

29、分離頻率下比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各種形式的檢測(cè)元件測(cè)出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。70、80年代超聲波渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測(cè)法的超聲波渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)。國外對(duì)超聲波渦街流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制訂很重視，90年代初國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)即成立起草工作組起草超聲波渦街流量計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)，1993年提出委員會(huì)草案(ISOICD 12764)，至1997年頒布為技術(shù)報(bào)告(ISOTR 12764：1997)。由于種種原因ISO把不宜作為國際標(biāo)準(zhǔn)的一些文件列為技術(shù)報(bào)告，例如得不到足夠支持率的文件，技術(shù)尚在發(fā)展還不夠成熟或作為參考資料提供等等，看來超聲波渦街流量計(jì)文件

30、還不足夠成熟，暫時(shí)尚不能作為國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美、日皆制訂有超聲波渦街流量計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)(ASMEIANSI MFC-6M-1987和JIS 28766-1989)D1。目前，將超聲波渦街流量計(jì)用于流量測(cè)量，需要研究的關(guān)鍵性問題：一是抑制流場(chǎng)噪聲的影響，流場(chǎng)的穩(wěn)定性、均勻性不僅對(duì)卡門渦街的形成和分離有影響，而且對(duì)各種敏感元件的檢測(cè)效果也有直接影響。附加的旋渦干擾了渦街信號(hào)，降低了信噪比；二是準(zhǔn)確測(cè)量小流量，因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，檢測(cè)信號(hào)非常微弱，易受流體沖擊振動(dòng)噪聲和管道振動(dòng)噪聲的影響，存在一個(gè)量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小量不能測(cè)量。國內(nèi)風(fēng)速測(cè)量儀的現(xiàn)狀我國超聲波渦街流

31、量計(jì)的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，到目前為止全國生產(chǎn)廠已多達(dá)數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國外亦未曾有過。超聲波渦街流量計(jì)己躋身通用流量計(jì)之列，無論國內(nèi)外皆已開發(fā)出多品種、全系列、規(guī)格齊全的產(chǎn)品，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化工作亦很重視，我國早在80年代就制訂了渦街流量計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ZBN 12008-89)和檢定規(guī)程JJG620-89。專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于1998年進(jìn)行了修訂，改變?yōu)镴BT 9249-1999檢定規(guī)程則與其他速度式流量計(jì)的檢定規(guī)程合并為一個(gè)新的檢定規(guī)程JJGl9894。國內(nèi)研究甚至在某方面科技含量更高，國內(nèi)流量計(jì)一般分為以下這幾種：1) 容積式流量計(jì)2) 葉輪式流量計(jì)3) 差壓式流量計(jì)(變壓降式流量計(jì))4) 電磁流量計(jì)5)

32、超聲波渦街流量計(jì)1.3超聲波測(cè)距的研究內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容是先闡述設(shè)計(jì)的背景意義，目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，后對(duì)超聲波渦街風(fēng)速計(jì)的可行性進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，電子技術(shù)以及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)量風(fēng)速的硬件部分，采用對(duì)應(yīng)的軟件程序。在硬件的設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大處理等措施，擴(kuò)大了測(cè)量的范圍。為了保證超聲波風(fēng)速測(cè)量儀能很好的工作，提高工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟件和硬件方面都采用的相應(yīng)的抗干擾補(bǔ)償措施。第2章 超聲波風(fēng)速儀測(cè)量原理及其總體設(shè)計(jì)2.1 超聲波風(fēng)速儀原理 卡曼渦街 渦街流量計(jì)是基于卡門

33、渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)。即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線型的對(duì)稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為旋渦發(fā)生體)，就會(huì)在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的旋渦即卡門渦街，其旋渦頻率正比于來流速度。如圖11所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f被測(cè)介質(zhì)來流的平均速度為n旋渦發(fā)生體迎面寬度為d表體通徑為D。根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式： (2-1)其中：f-旋渦發(fā)生頻率，Hz；V1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，ms；D-旋渦發(fā)生體直徑，mm；St-昕特勞哈數(shù)(無量綱)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。因此，只要測(cè)出渦街產(chǎn)生的頻率f，就可得出風(fēng)速V： (2-2)

34、當(dāng)d和St為定值時(shí)，旋渦產(chǎn)生的頻率，與流體的平均流速V成正比，利用這一特性制成了渦街流量計(jì)。渦街傳感器所測(cè)的并不是平均流速，而大約是旋渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。對(duì)于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，進(jìn)而說明了渦街流量傳感器檢測(cè)到的主要反映旋渦發(fā)生體兩側(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測(cè)機(jī)理所決定的。管道內(nèi)體積流量Q為：(2-3)式子中K是流量計(jì)的儀表常數(shù)，脈沖數(shù)/m3(P/m3) 儀表常數(shù)足除了與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈數(shù)有關(guān)。當(dāng)管道尺寸和旋渦發(fā)生體尺寸一定時(shí)，d為常數(shù)，St與雷諾數(shù)

35、Re成函數(shù)關(guān)系。大量試驗(yàn)證明，幾何形狀相同的旋渦發(fā)生體，無論尺寸大小，只要在相似的流場(chǎng)中(雷諾系數(shù)Re相等)，就具有相同的St數(shù)值。 旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替發(fā)生的渦列會(huì)在發(fā)生體或檢測(cè)元件上產(chǎn)生交替的橫向推力，因此，測(cè)出由此引起的交變應(yīng)力的頻率也就等于檢測(cè)到了旋渦脫落頻率。用來感受交變應(yīng)力的敏感元件可以是應(yīng)變片，也可以是壓電晶體、壓電陶瓷或其他類型的元件，由于壓電元件具有輸出信號(hào)大、損耗小、響應(yīng)快、耐溫高和機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，故已普遍應(yīng)用于渦街流量計(jì)。圖2-1 超聲波實(shí)際機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播是手介質(zhì)影響的，下面介紹超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)： 在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波頻率在20Hz到2

36、0000Hz之間的話，就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內(nèi)的震動(dòng)稱為聲振動(dòng)，聲振動(dòng)激起的縱波稱為聲波。頻率高于20000HZ的機(jī)械波稱為超聲波，頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、固體、液體中傳播。電磁波的傳播速度為3*10m/s,超聲波在空氣中的傳播速度大約為340m/s（常溫下），其速度與電磁波相差5個(gè)等級(jí)，超聲波在相同的傳播媒質(zhì)里傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率變化，波動(dòng)方向與振動(dòng)方向一致。2.2超聲波傳感器工作原理 利用超聲波感知或檢測(cè)物體，有非破壞性，遙控性、實(shí)時(shí)性、可穿透性等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面體現(xiàn)了其獨(dú)到之處。很早以前人們便

37、掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。近年來，超聲波的波長范圍已經(jīng)達(dá)到um級(jí)，頻率也已經(jīng)擴(kuò)大到GHz級(jí)，分辨率達(dá)到um級(jí)的顯微鏡已實(shí)用化。在這種頻率范圍，超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步對(duì)電子學(xué)的發(fā)展起到了巨大的作用。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波。已發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器，機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。實(shí)質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器，它將其他形式的能量轉(zhuǎn)化成超聲波的能量（發(fā)射換能器來完成）和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測(cè)的能量（接收換能器來完成）。一般是用電能和超聲波能量來相互轉(zhuǎn)換。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式

38、產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體、欽酸鋇壓電陶瓷，錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體等。 超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理工作的，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電效應(yīng)是指對(duì)某些電介質(zhì)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r(shí)，內(nèi)部出現(xiàn)極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉時(shí)又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作

39、用力的方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。相反當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象就稱為逆效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。壓電式超聲波發(fā)生器原理：壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。共振板 電極 壓電晶片 圖2-2 超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。

40、 1 頻率特性 下圖2-3是超聲波的頻率特性曲線。圖中，f0為超聲波發(fā)射器的中心頻率 ，在f0處，超聲波發(fā)射器產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說，在f0處所產(chǎn)生的超聲波聲壓能級(jí)最高。而在f0兩測(cè)，聲壓能級(jí)迅速減小。因此，超聲波發(fā)射器一定要使用非常接近中心頻率的f0的交流電壓來激勵(lì)。 f0為中心頻率。曲線在f0處最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，信號(hào)f0處接收靈敏度最高。在構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)時(shí)一般設(shè)置選頻電路。另外，超聲波接收器的頻率特性和輸出端外接電阻有很大關(guān)系，如果R很大，（如大于100K）頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，（如小于10K）頻率特性曲線變的平滑而且具有放寬的

41、帶寬，同時(shí)靈敏度也隨著降低。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲波接收器應(yīng)配合使用較大上拉電阻和其他整形濾波環(huán)節(jié)電路，才能有較高的接收靈敏度。如圖2-4圖2-3圖2-4 2 指向特性 實(shí)際的超聲波傳感器中壓電晶片是個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成1個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲波傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。指向特性用指向圖表示。下圖2-5就是超聲波傳感器的指向圖。超聲波傳感器的指向圖是由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是=0聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲波傳感器的指向角一般為40度80度。圖2-52

42、.3超聲波測(cè)距的總體設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生器發(fā)射端利用LM555定時(shí)器芯片發(fā)生145KHz的超聲波脈沖，經(jīng)過信號(hào)提升環(huán)節(jié)，通過流動(dòng)空氣介質(zhì)；超聲波發(fā)生器接收端把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送到選頻放大器。選頻放大器輸出的信號(hào)又經(jīng)檢波器解調(diào)，檢出渦街信號(hào)。再經(jīng)濾波器濾波，最后由比較器整形和放大，就獲得頻率為渦街頻率f的方波信號(hào)，最后使用計(jì)數(shù)電路進(jìn)行測(cè)頻和處理即可得出風(fēng)速值。圖2-6超聲波風(fēng)速測(cè)量電路由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分分為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路，報(bào)警電路，超聲波發(fā)射電路，超聲波檢測(cè)接收電路和復(fù)位電路。軟件部分由主程序，超聲波接收子程序，鍵盤驅(qū)動(dòng)程序，溫度補(bǔ)償程序及顯示程序等部分組成。 超聲波測(cè)距時(shí)工作

43、過程如下：（1） 由LM555定時(shí)器發(fā)出140KHz脈沖串。（2） 脈沖串通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。（3） 超聲波換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。（4） 電信號(hào)經(jīng)過選頻放大，過濾整形得出新的渦街頻率f。（5） 送入單片機(jī)T0計(jì)數(shù)口，檢測(cè)單位時(shí)間1s內(nèi)的脈沖數(shù)。（6） 顯示及其報(bào)警等等。第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)系統(tǒng)及報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖 3-1 是本設(shè)計(jì)選用的主控芯片AT89S52單片機(jī)的外部引腳結(jié)構(gòu)圖。圖3-1 AT89S52的外部引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3-2，為AT89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3-2 AT89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖下面簡(jiǎn)要介紹其主要性能。主要性能：l 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容l

44、 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0Hz33Hzl 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器l 32個(gè)可編程I/O口線l 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器l 八個(gè)中斷源l 全雙工UART串行通l 低功耗空閑和掉電模式l 掉電后中斷可喚醒l 看門狗定時(shí)器l 雙數(shù)據(jù)指針l 掉電標(biāo)識(shí)符下面對(duì)其功能進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。功能特性描述： AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有

45、靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 在圖3-2中，對(duì)各

46、個(gè)引腳及外部接口做以下說明：VCC : 電源GND: 地P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表 3-1 所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。表 3-1