超聲波測水流的速度

試驗課程名稱 近代電子學(xué)試驗試驗工程名稱 超聲波測水流的速度學(xué) 院 理學(xué)院專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)10-1學(xué)生姓名 楊曉玲學(xué) 號 1007010043指導(dǎo)老師 李良榮實驗時間 2023年9月10日一、設(shè)計目的和要求測量超聲波傳輸時差的電子電路；數(shù)據(jù)；3、給出相關(guān)器件的選型、參數(shù)整定依據(jù)以及它的工作環(huán)境要求；4、分析并提出提高測量精度和區(qū)分率的方法和措施；6、完成試驗仿真、模擬調(diào)試、實現(xiàn)主要功能要求；二、試驗方案設(shè)計：11所示：設(shè)計思想：信號來掌握計數(shù)器測出超聲波在順逆流中所記脈沖的個數(shù)差，進而計算出時間差。技術(shù)要點和成果是通過換能器和計數(shù)器來掌握計數(shù)器實現(xiàn)了不連續(xù)測時差。依據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)中必需有計數(shù)的模塊，實現(xiàn)脈沖個數(shù)的計數(shù)，我通過根本計數(shù)器的級聯(lián)實現(xiàn)了大模制的計數(shù)功能，剛開頭我選擇了加減計數(shù)器，在超聲波逆流過程中進展加計數(shù)，在順流過程中進展減計數(shù)，最終顯示的數(shù)值就是順逆流的計數(shù)差值，雖然也間接實現(xiàn)了差時的測量，但是逆流加計數(shù)和順流減計數(shù)是不同步的，所測的數(shù)值的準確性不夠高，所以我又用兩塊計數(shù)模塊來分別同時計順逆流時間段的脈沖數(shù)，在讓它們相減得到脈沖差值。但又感覺有點簡單，所以也在肯定程度上放棄了。最終確立了另一種較為適宜的方案，那就是讓兩個換能器同時發(fā)出超聲波并給計數(shù)器一個脈沖信號，讓計數(shù)器清零復(fù)位，當接收到順流信號時換能器發(fā)出脈沖信號讓計數(shù)器加計數(shù)，當換能器接收到逆流信號時發(fā)出一脈沖信號使計數(shù)器處于保持狀態(tài)，這樣計數(shù)器顯示的數(shù)值就是順逆流兩過程的時間差中所計的個數(shù)，進而直接計算得到順逆流過程的時間差。既簡化了電路又彌補了測量不同步的缺點，使測量的牢靠性得到提高。本設(shè)計中的另一個問題是掌握電路的問題，就是怎樣把換能器和計數(shù)器聯(lián)系起來，讓換能器來直接或間接的掌握計數(shù)器工作以完成測量過程，尤其是連續(xù)的掌握。說到連續(xù)我想到了移位存放器和計數(shù)器，但想到對計數(shù)器較生疏又N進制循環(huán)計數(shù)器，所以我選擇了通過換能器發(fā)出的脈沖來掌握一個N進制計數(shù)器進而通過該計數(shù)器的輸出端來掌握計數(shù)模塊。在本試驗中計數(shù)脈沖的頻率越高，所測的數(shù)值越準確，但考慮到器件的上限兆赫茲的頻率。而在電源的選擇方面我為了簡化電路選擇了五伏電壓等級器件，用一個直流穩(wěn)壓電源供電。系統(tǒng)工作原理時差法超聲波流量計其工作原理任務(wù)書所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替〔或同時〕收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在截止中的順流和逆流傳播時間差來間接的測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接的測量方法。分析計算知流體的流速為V=△T×C×C÷2X,其中△T為超聲波順逆流時S=V×S，S在本設(shè)計中有兩個測量元件就是順逆流換能器，在測試開頭時讓兩個換能器同時發(fā)出信號并給掌握電路一脈沖信號，讓計數(shù)局部計數(shù)器清零復(fù)位。由于順流超聲波傳播速度較逆流快，所以先被另一換能器接收到，此時該換能器發(fā)出一脈沖給掌握電路讓計數(shù)局部讓其進展加計數(shù)，而當逆流超聲波被接收到時，該換能器又給出另一脈沖給掌握電路，使計數(shù)模塊保持，此時所計的脈沖個數(shù)就是脈沖差數(shù)。此過程總共給掌握電路3個脈沖信號，即每一個測量周期，掌握電路接收到三個掌握脈沖信號，實現(xiàn)了計數(shù)模塊的清零復(fù)位、計數(shù)、保持相應(yīng)的三個過程。所以我選擇了模值為三的計數(shù)器來把換能器發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)，進而來掌握計數(shù)模塊。〔0來連成三進值循環(huán)計數(shù)器，為了掌握的便利，我選擇了其9、0、1三個型號了來掌握計數(shù)其具體掌握方式將在單元電路中具體的說明〕三、單元電路設(shè)計電路構(gòu)造及工作原理，電路構(gòu)造圖如以下圖2:74LS9074LS90的參數(shù)功能表及工作環(huán)境：直流穩(wěn)壓電壓可通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、輸出幾局部。其根本構(gòu)造如下圖，為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源大的原理圖，其中整流局部承受了又四個二極管組起濾波作用能夠濾去溝通重量，使輸出直流電壓更W7805作為穩(wěn)壓電路。C2在穩(wěn)壓器輸入端，抵消了線路的電感效應(yīng)以防止產(chǎn)生自激振蕩而輸出端電容濾去輸出端的高頻信號，改善了電路的暫態(tài)響應(yīng)。單元電路A〔555振蕩器〕電路構(gòu)造圖如下圖：3其工作原理為就是電容在VT+和VT-之間反復(fù)的充放電過程使得輸出電壓4所示：44可見555振蕩器產(chǎn)生的波形不太準確，在上下升沿有畸形，但對上下升沿觸元器件的選擇及參數(shù)確定f=1/T依據(jù)電路的要求和器件的工作頻率要求我選擇頻率為十兆赫茲，選定電阻的參C=72pf。ConC1通常選100uf。單元電路B(掌握器)，電路構(gòu)造及工作原理：5所示：工作原理：S90的CLK1接換能器的脈沖信號，CLK2接QA端構(gòu)成8421十進制QB2時置九，這樣其計數(shù)狀態(tài)為9、0、1〔2為暫態(tài)返回9〕.這樣在其輸出的信號為1、01三狀態(tài)〔01A、B端相P端來加或保持〔00001001、1為保持，用DR端來掌握其清零復(fù)位與否0000、0001狀態(tài)協(xié)作上一個掌握端的加、停。這樣就形成了對計數(shù)模塊的連續(xù)掌握，換能器每起動一次，連續(xù)給掌握器三個脈沖，掌握器循環(huán)一次，完成一次測量掌握。電路仿真波形如圖6所示：AP掌握端，B對應(yīng)清零端。分析：由波形分析知上面波形中尖峰脈沖為復(fù)位信號，在置九復(fù)位信號的同時，P端雖有高電平消滅，但置九的級別高，強制復(fù)位。其他時刻置九信號為P端信號由低到高再到低，實現(xiàn)了計數(shù)的復(fù)位保持、元器件的選擇及參數(shù)確定：由于想到掌握時掌握計數(shù)器能獨立、合理〔掌握盡量簡潔以保證其牢靠性〕并順當?shù)恼莆瘴以谶B接S90時，用了置九端而沒用清零端由于用清零端時得到0000、0001.0010三輸出較前者掌握起來規(guī)律關(guān)系叫簡單，牢靠性較低。而對于或門的選擇主要考慮了其工作電壓值和工作頻率已滿總和電源的統(tǒng)一和電路的匹配。S90的參數(shù)在這里要求不高，其工作頻率遠大于掌握電路的工作〔具體參數(shù)見附錄〕單元電路C(計數(shù)模塊)7電路構(gòu)造及工作原理:〔固然其還可依據(jù)實際狀況增大其模值，由于其本身為十進制的計數(shù)器，所以級聯(lián)較為簡潔，只將進位輸出端接下一計數(shù)器的CLK端。清零端在換能器啟動時〔第一個脈沖降臨時，掌握器狀態(tài)1001〕QD端工作〔又由于我在本系統(tǒng)中用了異步清零復(fù)位鍵，清零為低電平有效，所以兩個清零信號用一個與門連接共同掌握清零端。而置數(shù)端在這沒用到，為了防止干擾，提高電路的牢靠性直接TP端協(xié)作掌握器來掌握計數(shù)模塊的計數(shù)與保持。其輸入端也沒用到，考慮到其影響微小，直接懸空。輸出段接譯碼顯示器完成數(shù)據(jù)的顯示。11所示：8對電路進展清零，結(jié)果如下:元器件的選擇及參數(shù)確定：在本設(shè)計中對計數(shù)模塊的要求為工作頻率高并為十進制，還有就是統(tǒng)一電源供給，而多數(shù)TTL器件都為五伏直流供電，并且其頻率都在幾十兆赫茲及以上，根本滿足設(shè)計要求，所以為了級聯(lián)便利，我直接選擇了十進制器件〔剛開頭選用了十進制加減計數(shù)器74LS190 但其本錢較高，所以后來選用了，其參數(shù)表見附錄。又顯示D的承受電壓通常為5伏左右，共陽LED300歐，整定后10毫安左右，滿足其額定要求。系統(tǒng)仿真將電路的各單元電路級聯(lián)，構(gòu)成系統(tǒng)后電路原理圖如2號圖紙所示。然后對其進展功能的仿真，仿真圖如圖下所示：分析：在該電路中由于軟件的誤差，使555信號發(fā)生器和掌握電路的頻率與實際計算值有所差異，所以在仿真時對信號發(fā)生器和掌握信號的頻率的參數(shù)做了一些修改，但是電路整體功能完全符合設(shè)計要求。具體如下：1該電路設(shè)計略去了順流逆流時間的單獨測量而直接測出時間差，我覺得這也是本設(shè)計的特點所在。2本電路中只測量出了順逆流時間差中所計的脈沖個數(shù)，要求的時間差需用公式△T=Tp×N來計算，其中△T為順逆流時間差，Tp為所加脈沖的周期，N為數(shù)逆流時間差中所計的脈沖個數(shù)，這一點也是有待改進的。四、總結(jié)、體會和建議電路的調(diào)試是比較重要的一個環(huán)節(jié)，正確的調(diào)試方法會縮短調(diào)試時間。剛安裝完畢后我有點興奮，到底做了周多了，總的有個結(jié)果啊。插上電源的一瞬間，我又驚喜又感到不解。電路中的顯示器是亮的，當接入脈沖信號并給掌握端給脈沖時，計數(shù)模塊的個位計數(shù)了，再按原理給掌握信號，電路在工作的過程上符合設(shè)計要求，但是讓我不解的是計數(shù)模塊只有個位計數(shù)而不進位，這是讓我很不解的。由于我通過測試覺察不計數(shù)的兩塊計數(shù)器的 CLK端有信號輸入，而且測得其電源供給也適宜。就是找不出錯誤在那，而且我始終信任自己，原理上確定是沒有錯誤的，那是我經(jīng)過深思熟慮的。這才是調(diào)試的開頭，對電路整體有了一個錯誤的開頭，接下來我實行了分段測試的方法先對計數(shù)器進展了單獨的測試，結(jié)果說明，就是計數(shù)模塊出了問題。通過計數(shù)器間的互換測試說明器件是好的，而且對接線也檢查了屢次說明無誤，這也是讓我最不解的了。整整耗了一天的時間，我沒有一點方法，由于這在原理上是講不同的。不計數(shù)的兩個計數(shù)器消滅了同一個錯誤。就這樣故障排解了。計數(shù)器好了，我再接上掌握電路，電路工作根本上正常了，只是計數(shù)9的時候就進位了，經(jīng)過簡潔的分析是上下升沿動身的問題，我在進位信號端接了一個非門后