畢業(yè)設(shè)計（論文）PPT答辯-超聲波液位測量計的設(shè)計

1、畢業(yè)答辯畢業(yè)答辯PPTPPT信息工程系自動化1081班超聲波液位測量計的設(shè)計超聲波液位測量計的設(shè)計課題背景隨著第二代超聲波液位測量儀的產(chǎn)生，物位測量達到了一個新的應(yīng)用水平。第二代超聲波液位測量儀采用了先進的技術(shù)并且在工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)立了最新的標準。超聲波液位測量儀的最初設(shè)計是為凈水和廢水工業(yè)提供單測量點解決方案?？捎糜谠谖鬯谜究刂乒ぷ鞅?，在明渠測量中記錄流量，在液位差測量中控制隔離柵，是一種在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用的超聲波物位儀表。超聲波液位測量儀具有著非常簡便的程序設(shè)定模式，使用者只需在鍵盤上進行簡便的操作，即可完成全部的功能設(shè)定。同時，它還具有程序鎖定功能，使得未經(jīng)授權(quán)者不能進入設(shè)定模式進行程

2、序修改，確保了使用界面的安全性。超聲波液位測量儀具有多路供電系統(tǒng)，系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)換接受交流115V/50Hz或230V/60Hz，同時系統(tǒng)接受24V直流供電，可以充分保證使用的安全性和避免突發(fā)性斷電對系統(tǒng)的影響。超聲波液位測量儀可顯示多種物理量，包括液位、距離、體積和百分率。每一組繼電器均可獨立由程序設(shè)置為正向/反向動作、保持/歸零和異常信號報警。模擬信號達到全量程連續(xù)輸出。本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀. 目前市場上的超聲波液位計品種多樣，大多采用溫度補償方法對超聲波傳播速度進行校正，以提高儀表測量精度。此方法需在系統(tǒng)外加一個溫度測量單元，通過測量環(huán)境溫度，獲得實際聲速；由此也引進了溫度測量誤差，從而限

3、制了系統(tǒng)精度的進一步提高。 在我國由于受到歷史原因影響，液位傳感器的研制開發(fā)技術(shù)比較落后，各個基礎(chǔ)行業(yè)的資金投人不協(xié)調(diào)，以及一定時期的人才青黃不接，導(dǎo)致了相關(guān)配套領(lǐng)域發(fā)展遲緩，甚至于停滯不前，這使得我國的液位測量技術(shù)測量方法遠遠落后于其它發(fā)達國家。測量系統(tǒng)的自動化程度不高，精度可靠性、功能等多方面都不如國外同類產(chǎn)品。近幾年來隨著改革開放的不斷深入，我國的經(jīng)濟技術(shù)水平得到了迅猛的發(fā)展。國家也加大了這方面的投入，測量技術(shù)得到了全面發(fā)展和更新，使得我國的液位測量技術(shù)發(fā)展比較迅速。我國許多科研單位及企業(yè)共同研制開發(fā)了有關(guān)液位測量方面的傳感器這些產(chǎn)品在性能指標上、功能上都比以前有了很大程度的提高，但是與

4、國外同類技術(shù)相比還有侍進一步的改進7。超聲波傳感器概述 1.3.1 超聲波聲波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波,其每秒的振動次數(shù)很高,超出了人耳聽覺的上限,人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過程中有衰減。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律,與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性超聲波的衍射本

5、領(lǐng)很差,它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,這一特性就越顯著。功率特性當聲音在空氣中傳播時,推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。1.3.2 超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用 超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài),處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析,判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據(jù)測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準被測物變化方向發(fā)射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離

6、。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時候,則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應(yīng)用 超聲測距大致有以下方法:取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測量電壓即可測得距離;測量輸出脈沖的寬度,即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t,故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高,則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量1.4 本課題設(shè)計的主要工作及結(jié)構(gòu)安排1）超聲

7、波發(fā)射與接收通過查閱相關(guān)的資料，了解到在超聲波測量中頻率取得太低，外界的雜音干擾較多，頻率取得太高，檢測距離越短9，根據(jù)本次課題的實際情況，可采用40KHz收發(fā)分體式超聲波傳感器。利用軟件產(chǎn)生40KHz的脈沖信號，鑒于單片機的輸出口驅(qū)動能力較弱，應(yīng)在發(fā)射電路上增加功率放大電路，從而提高測量距離，達到課題要求。從接收傳感器探頭傳來的超聲回波很微弱（幾十個mV級），又存在較強的噪聲，所以接收電路必須包括前置放大電路和濾波電路，從而實現(xiàn)對有用的信號進行放大，并抑制其他的噪聲和干擾。 1.4 本課題設(shè)計的主要工作及結(jié)構(gòu)安排2）提高精度的處理由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果要想提高精度，則應(yīng)通過溫度補償

8、的方法加以校正。由測量精度分析可知，如果能夠知道當?shù)販囟龋瑒t可根據(jù)公式求出當?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度10。采用熱敏電阻，熱電偶、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。從性價比和使用方便程度來考慮，使用數(shù)字溫度傳感器來獲取系統(tǒng)運行環(huán)境的溫度是最佳方案。3）與PC機通訊的功能上位機和單片機的通信有串行通信或者并行通信，單片機與PC機的通信，涉及到兩個方面，一方面是單片機C51程序，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；二是PC機的串口通信程序和界面的編制。通過查閱資料了解到，單片機與PC的通訊可以使用VB，labview，VC+，Delphi，C+ Builder等軟件來實現(xiàn)界面的顯示，根據(jù)自己的學習情況

9、與熟悉程度，可以采用C+Builder應(yīng)用程序界面實現(xiàn)單片機與PC機通訊。 4）查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，分析超聲波液位測量儀的組成，確定超聲波液位測量儀的總體方案。 5）完成超聲波液位測量儀的硬件和軟件設(shè)計。 6）系統(tǒng)組成包括：單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、超聲波發(fā)射模塊路、超聲波接收模塊、鍵盤顯示模塊、溫度測量模塊。超聲波的測量原理及方案超聲波(15 KHz 以上) 能在氣體、液體、固體中傳播,其傳播速度及衰減量隨物質(zhì)的不同而不同。其傳播速度( c) 與物質(zhì)密度() 的積(c) 稱為該物質(zhì)的聲阻抗。在兩種物質(zhì)界面上, 超聲波的反射率取決于聲阻抗,c大的反射率也大。超聲波在空氣中傳播,遇到障礙物(包括水等液

10、體, 只要符合c 較大的情況) 時,就會產(chǎn)生明顯的反射。超聲波的傳播具有一定的直線性, 遇障礙物會產(chǎn)生反射。如圖一所示：設(shè)置一個超聲波發(fā)射器和一個接收器(頻率相同) 。發(fā)射器用于發(fā)射一個超聲波信號,而接收器用于接收從障礙物反射回來的超聲波信號。如果使兩束波的夾角遠小于發(fā)射器和接收器與障礙物之間的距離h , 那么,超聲波從發(fā)射到被接收的時間t 與h 成正比關(guān)系,即h = c 3 ( t/ 2)(1) 其中c 是超聲波速度,在空氣中約344m/ s 。我們可以通過測量超聲波在這個過程的傳播時間t 來計算出物距h 。超聲波的測量原理及方案在超聲波測物距的原理基礎(chǔ)上增添一些裝置就可以達到測量液位的目的

11、,構(gòu)成超聲波液位計。其工作原理如圖2 , 將超聲波發(fā)射、接收器安裝在離液體底部高為H 的位置上,設(shè)液面的高度為h。采用超聲波測距離的原理測量出液位計到液面的距離h,則液位的高度(深度)為: h= H-h(2) 使用適宜的電路來實現(xiàn)這個運算,就可以做成液位計了。 圖1 超聲波發(fā)射示意圖超聲波的測量原理及方案圖2 液位計示意圖 2系統(tǒng)組成及說明超聲波反射式液位計主要由發(fā)射、接收和計數(shù)/顯示電路組成。整機電路方框圖如圖3所示 :圖3 液位計整機電路框圖系統(tǒng)組成及說明在圖3 中,發(fā)射電路是一個40 KHz 的多諧振蕩器,與超聲波發(fā)射換能器連接可以發(fā)射出一串串斷續(xù)的40 KHz 超聲波信號,發(fā)射完每一串

12、它就向計數(shù)器送出一個脈沖,觸發(fā)啟動計數(shù),假設(shè)該時刻為t0 。接收電路與接收器連接,用于接收從障礙物反射回來的超聲波信號,并將其轉(zhuǎn)換成電信號,接收完一串完整的信號,就產(chǎn)生一個脈沖,設(shè)此時刻為t1 ,脈沖用來讀取這一時刻譯碼器中的數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)(時間差)就是超聲波傳播的時間t= t0-t1 。譯碼電路負責把計數(shù)器送來的BCD 碼,轉(zhuǎn)換成七段L ED 碼,然后驅(qū)動L ED 數(shù)碼管,顯示出結(jié)果。計數(shù)電路中的時基電路用于產(chǎn)生計數(shù)器用的時鐘脈沖CP ,其頻率決定了計數(shù)、顯示數(shù)值的單位。在此基礎(chǔ)上,增加一個減數(shù)運算的電路, 將計數(shù)器計出的液面距離h作減數(shù),使計數(shù)結(jié)果符合h= H-h,則顯示結(jié)果液面高度(液位)

13、 。發(fā)射振蕩電路發(fā)射電路超聲波發(fā)射器的基本振蕩電路由時基電路555 和R3 、W2 、C10等組成,其振蕩頻率為: fT = 1.44/ (R3+ 2 W2)C10 調(diào)節(jié)W2 ,可使振蕩頻率與選定的超聲波發(fā)射頭的振蕩頻率(40 KHz)相一致。圖4 中555 振蕩器振蕩與否,受控于由IC4 C、IC4 D組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,而該雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出狀態(tài)又受控于由IC4A、IC4 B組成的低頻振蕩器和由IC1 (4017)組成的8 分頻電路。555 振蕩器的振蕩方波加至十進制計數(shù)器/脈沖分配器IC3 的14 腳作為時鐘,IC3 的第6 腳(Q7)與它的復(fù)位端15 腳相連。發(fā)射振蕩電路IC3 在40

14、 KHz 的時鐘作用下,在它的相應(yīng)腳上依次出現(xiàn)Q0 Q7 高電平脈沖,至第6 腳出現(xiàn)Q7 脈沖,一路送到第15 腳(RST 端),使IC3 復(fù)位,實現(xiàn)8 分頻;同時, 另一路加至IC4 D的輸入端,使IC4 D的輸出轉(zhuǎn)呈低電平,將555 時基電路的復(fù)位端(第4 腳)封鎖,使555 振蕩電路停振。還有一路是作為復(fù)位/啟動(RESET)信號送給計數(shù)器,啟動計數(shù)。 電路中,T1 和T2 等組成高增益共射極放大器,它對接收換能器收到的反射回來的超聲波信號進行放大,然后送到由IC6 組成的觸發(fā)電路。經(jīng)整形后的脈沖作為時鐘加至IC7 (4017)的時鐘輸入端(14 腳) 。IC7 的接法與IC5 相同,也

15、為8 分頻電路。當接收器收完第8 個脈沖信號時,IC7 輸出一個脈沖,使計數(shù)/顯示電路中譯碼器原來處于封鎖的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為讀數(shù)狀態(tài),讀取數(shù)據(jù)之后又鎖定顯示結(jié)果。 圖5 接收電路2.2 接收電路探頭電路 超聲波發(fā)射換能器和接受換能器合裝在一起（方便使用），并與其他電路分離,用一根多芯信號線與電路板連接。電路如圖7 ,從發(fā)射振蕩電路555 第3 腳送來的40 KHz 方波信號,經(jīng)一級RC 低通濾波后,進行電壓放大。電壓放大的目的在于使發(fā)射換能器有足夠的能量,提高有效測量范圍。2.4 譯碼顯示電路LED（Light Emitting Diode）是當外加電壓超過額定電壓時發(fā)生擊穿而發(fā)出可見光，LED的工

16、作電壓通常為220mA。工作壓降為2V左右，使用時需加限流電阻。顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓，對外界環(huán)境要求低，易維護的優(yōu)點，雖只能顯示非常有限的符號和數(shù)碼字，但可完全滿足本設(shè)計。在顯示部分采用LED動態(tài)顯示技術(shù)，節(jié)省單片機空間，而且動態(tài)顯示電流很小，單片機可以提供。3 超聲波液位計的檢定與校準目前，我國尚無專門針對超聲波液位計的檢定規(guī)程，檢定/校準工作可按照JJG 971-2002 液位計檢定規(guī)程中的相關(guān)條款進行。液位計的檢定周期一般不超過1年，也可根據(jù)使用環(huán)境條件、頻繁程度和重要性來確定。也可根據(jù)自身條件，參照國家計量檢定規(guī)程，制定企業(yè)內(nèi)部相應(yīng)的校準規(guī)范。4 致 謝本論文是在我的導(dǎo)師張丹紅教授的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的。張老師嚴謹求實的治學態(tài)度和認真踏實的工作作風給了我很大的影響。感謝這一學期來張老師對我的教導(dǎo)和培養(yǎng)，使我在硬件設(shè)計和撰寫論文等方面的能力有了極大的提高，而且教導(dǎo)我們?nèi)绾巫鋈?，如何面對社會?/p>