【正文】 重計(jì)，這兩種比重計(jì)都是利用浮子在電解液中所受的浮力來(lái)測(cè)量電解液的比重，由于硫酸的粘滯性很大，在實(shí)際測(cè)量中，浮子常常 00 被粘附在器壁上，從而造成讀數(shù)的不準(zhǔn)確，因此傳統(tǒng)的比重測(cè)量方法操作麻煩、效率低，易受外界因素影響，局限性太大。僅僅依靠傳統(tǒng)的測(cè)量 比重的方法己經(jīng)顯得很落后，迫切的需要一種更加快捷方便的測(cè)量手段的出現(xiàn)。本文研究利用超聲波測(cè)量液體的比重值，用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和接收，將超聲波在電解液中傳播，然后得到定長(zhǎng)的傳播時(shí)間差，以此來(lái)研究測(cè)量液體的比重 值。因此測(cè)量比重也可以判斷蓄電池的儲(chǔ)電量和放電程度。 隨著電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展和 日臻成熟，以及對(duì)比重測(cè)量要求的不斷提高，電子傳感器測(cè)量液體比重逐漸發(fā)展起來(lái)。利用線陣 CCD 可 對(duì)硫酸比重進(jìn)行非接觸測(cè)量，但此種方法一般是針對(duì)密封式航空蓄電池，對(duì)一般的開口式鉛酸蓄電池，這種方法是一種資源的浪費(fèi)。此方法因?yàn)橐舨嫜b置太大，不方便放進(jìn)蓄電池的單格中，因此也不便用來(lái)測(cè)量蓄電池電解液的比重。同時(shí)此方法要保持 CCD 器件窗口玻璃清潔，灰塵和污物的附著會(huì)影響 測(cè)量的結(jié)果。聲波頻率的界限如圖 11 所示，其中，一般工業(yè)探測(cè)使用的頻率約為 105～ 106Hz。超聲探傷方法通常有穿透法、脈沖反射法 和 串列法等。 (3) 超聲清洗 ： 它的工作原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì) 的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡 (空化核 )在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。 在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。當(dāng)被測(cè)液體的比重發(fā)生變化時(shí)，超聲波傳播定長(zhǎng)距離的發(fā)射和接收波形的相位及傳播時(shí)間都會(huì)有所不同，就是根據(jù)這一原理來(lái)研究液體比重測(cè)量的。 (4) 第 4 章 超聲波比重測(cè)試的軟件設(shè)計(jì) ：首先 給出主程序流程圖，并附加了中斷程序流程圖和溫度傳 感器測(cè)溫程序流程圖，并根據(jù)流程圖編寫了相應(yīng)程序，見附錄。荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛 。 鉛酸蓄電池的工作方式分為充電工作方式和放電工作方式兩種，這兩種工作方式分別對(duì)應(yīng)不同的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也與稀硫酸的比重有著極為密切的關(guān)系。其中，充電反應(yīng)的化學(xué)方程式為 : PbSO4+2H2O=Pb(負(fù)極 )+PbO2(正極 )+2H2SO4 放電過程反應(yīng)的化學(xué)方程式為 : Pb(負(fù)極 )+PbO2(正極 )+2H2SO4=PbSO4+2H2O 公式 (21)、 (22)的正確性可從 以下三個(gè)方面得到證 實(shí)： (l) 用化學(xué)分析等方法確認(rèn)正極活性物 質(zhì)的組成為 PbO2，負(fù)極活性物質(zhì)的組成為 Pb。對(duì)單格電池，當(dāng)比重值達(dá)到一定數(shù)值就代表充電結(jié)束。其最基本的功能是能把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，完成電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能器晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播 。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括 ： (1) 工作頻率。而醫(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高 ，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。下面主要介紹本系統(tǒng)所選用的壓電式超聲波換能器。壓電式超聲波傳感器可以產(chǎn)生幾十千到幾十兆赫茲的高頻超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。 (2) 壓電電壓常數(shù) ： 表示作用在壓電晶體上單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。超聲波測(cè)量比重用的壓電晶體頻率要求較高， ε應(yīng)選擇小一些，因?yàn)?ε越小， C 越小，電容器充電時(shí)間短，頻率高。壓電晶片振動(dòng)損耗的能量主要是由內(nèi)摩擦引起的， θm值對(duì)分辨力有較大的影響， θm值越大，表示損耗越小，晶 片持續(xù)振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，脈沖寬度越大，分辨力越低。 (7) 居里溫度 Tc： 是壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度。 隨著科技的進(jìn)步，堅(jiān)固耐用、有精確感應(yīng)能力的超聲波傳感器逐漸被人們所認(rèn)同，相對(duì)其他傳感器而言，超聲波傳感器可以更加簡(jiǎn)單、靈活，性價(jià)比更高。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體內(nèi)部而受到阻礙，超聲 波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。 超聲波測(cè)量比重的工作原理 超聲波測(cè)量液體的比重是利用超聲波的聲速隨液體比重的變化而變化這一物理性質(zhì)來(lái)檢測(cè)的。 發(fā) 射 驅(qū) 動(dòng)單 片 機(jī)接 受 驅(qū) 動(dòng)接 受 換 能 器發(fā) 射 換 能 器超 聲 波 圖 22 工作原理框圖 10 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 利用超聲波換能器測(cè)量液體的比重，所依據(jù)的基本原理是超聲波的傳播速度隨液體比重的變化而變化。 液體中傳播的聲速 C 可表示為 ： 其中， c， V， ρ， P 分別為液體中的傳播聲速，摩爾體積，密度和壓力。 超聲波測(cè)量比重的硬件要求 系統(tǒng)的硬件電路包括發(fā)射部分、接收部分、單片機(jī)控制部分和溫度補(bǔ)償部分。 (211)2y =7 51. 11 824 .94 4x+ 282 .81 2x212（ ）11 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 下，系統(tǒng)衰減量為 0dB～ 120dB，連續(xù)可調(diào)，動(dòng)態(tài)范圍為 30dB 以上，最大增益時(shí)的噪聲為 10%以下。晶振發(fā)出的 的方波信號(hào)，通過兩個(gè)同型號(hào)三極管的甲乙類推挽實(shí)現(xiàn)功率的放大，因?yàn)橐?qū) 動(dòng)探頭正常穩(wěn)定的工作，就要使功率和頻率達(dá)到一定值。由于接收換能器接收的信號(hào)比較微弱 (只有幾十毫伏 )，通過放大電路將其電壓信號(hào)進(jìn)行放大，本系統(tǒng)選用 LF357 進(jìn)行了兩級(jí)放大，放大倍數(shù)接近 400 倍，放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過檢波二極管和電容組成的檢波的電路后變?yōu)檩^簡(jiǎn)單的電壓信號(hào)波形，在 經(jīng)過 LMll9 型號(hào)的比較電路轉(zhuǎn)換成比較規(guī)則的方波信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過12 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 耦合器送入到單片機(jī)，作為觸發(fā)的中斷信號(hào)。其中，要求有精確的延時(shí)，以滿足測(cè)量精度的要求。溫度對(duì)蓄電池的影響主要是 ： 電解液溫度高時(shí)，其擴(kuò)散速度增加，電阻降低，電池電動(dòng)勢(shì)也略增加，因此在一定范圍內(nèi)蓄電池的容量隨溫度增加而增加。 在前面的分析中得知，溫度在鉛酸蓄電池中變化的幅度比較大，對(duì)超聲波傳播速度影響也比較嚴(yán)重，通常情況下，被測(cè)液體的溫度每變化 1℃ ，超聲波的傳播速度會(huì)變化 %左右。它較之傳統(tǒng)的熱敏電阻，能夠直接讀出溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，因此精度很高，滿足系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償要求。在接收電路中，經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)算放大器的放大進(jìn)入比較器，再經(jīng)過比較器的比較整形電路，出來(lái)的規(guī)則的方波信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的 中斷引腳，當(dāng)接收到信號(hào)后計(jì)時(shí)器停止工作，并記下在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，這樣依次測(cè)量 各 組脈沖的傳播時(shí)間，去掉最大和最小值，并計(jì)算一組方波脈沖傳播的平均值， 經(jīng)過 計(jì)算 后得到比重值。本文選用壓電、非一體式超聲波換能器組成超聲波傳感器。傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍 內(nèi) 保持不失真，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一點(diǎn)延遲，因此我們希望延遲越小越好。要求所選用的傳感器的性能穩(wěn)定，滿足測(cè)量比重的要求。本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包含 六 大部分 ： 超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度補(bǔ)償單元、單片機(jī)處理單元 、 供電電源電路單元 和顯示單元 。供電電源電路是輔助單元。發(fā)射電路單元包括驅(qū)動(dòng)電路和超聲波發(fā)射換能器，下面給出現(xiàn)有的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和本系統(tǒng)所采用的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路。其中，圖 32 采用集成電路 NYKD 來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器 ； 圖 33 采用 555 時(shí)基集成電路來(lái)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，只要很少的附加元件 ， Wl 將頻率調(diào)節(jié)到換能器的諧振頻率上，占空比約為 50%； 圖 34 和圖 35 由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路，因其價(jià)格便宜，元件普通，調(diào)試也方便。如圖 36 所示，其中 晶振是有源晶振， CD4013的 4 引腳接單片機(jī)的 ， TR 為發(fā)射換能器。分頻后的信號(hào)又經(jīng)R52 0 0 K ΩR1 R62 2 0 ΩR41 K ΩR2 R3 C2 C1 C3 換能器D1 觸發(fā)脈沖2 0 0 VR11 50 ΩC11 00 0 p F+ 5V+ 5V+ 12 VQ19 01 3TR V C C4NC1F O U T3GND2X22 .0 MQ29 01 2D5Q1C L K3Q2R4S6U 5 A4 01 3 Q3I R F 8 3017 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 過 9012 與 9013 推挽功放，后面又加了一級(jí)放大，使得功率足夠驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。輸出端分別接在兩管集電極和電源負(fù)極之間，當(dāng)兩管交替輸出的集電極電流通過時(shí)，在輸出端感應(yīng)出極性相反的電壓，最后正負(fù)半周合成為完整的波形。諧振現(xiàn)象的研究有著重要的意義，諧振現(xiàn)象在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。串聯(lián)諧振頻率只有一個(gè)，是由串聯(lián)電路的 L、 C 參數(shù)決定的，而與串聯(lián)電阻 R 無(wú)關(guān)。這不僅因?yàn)?0KHZ 的傳播頻率較低，同時(shí) 40KHZ 的頻率在液體中傳播效果不好，很難被接收換能器所接收，而 1～ 5MHz 在液體和固體中的傳播效果很好可以遠(yuǎn)距離傳播，而且還能抗干擾，因此本系統(tǒng)選用 1MHz 的傳輸頻率 。 調(diào) 諧放 大比 較整 形濾 波檢 波 單片機(jī)液 晶接 受換 能 器 圖 37 接收單元原理框圖 運(yùn)算放大電路 由發(fā)射單元 經(jīng)超聲波換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)經(jīng)被測(cè)液體后有一部分能量損失，接收換能器接收到的超聲波很微弱，信號(hào)也存在干擾，因此必須經(jīng)過進(jìn)一步放大和濾波，才能被后0011, 2fLC LC? ??? (34)?19 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 續(xù)電路接收并處理?，F(xiàn)在分析其中一級(jí)放大電路，其簡(jiǎn)化 電路模型如圖 39。運(yùn)算放大器是一種包含 許多晶體管的集成電路，它是目前獲得廣泛應(yīng)用的一種多端器件。在 2 端和 3 端分別同時(shí)加輸入電壓u和 u+，則有 式 (39)中， ud=u+u， A 為運(yùn)放的電壓放大倍數(shù) (或電壓增益的絕對(duì)值 )。當(dāng)時(shí)，輸出電壓 U0趨于飽和，圖中用 Usat，表示，此飽和電壓值略低于直流偏置電壓值，此關(guān)系曲線稱為運(yùn)放的外特性。為了區(qū)別，反相端和同相端分別用和 +標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。比較器是一種用來(lái)比較輸入信號(hào) Ui和參考電壓 UREF 的大小電路 ， 參考電壓 UREF加于同相端，為正 5v，而輸入信號(hào) ui則加在反相端，電路處于閉環(huán)工作狀態(tài)。22 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 U OL 0 U r e f = 5 V U OH U/V 在此電路中，由于輸入端電壓信號(hào) Ui是從反相端輸入，故輸出的高、低平電壓與正常輸出相反。 單片機(jī)的外圍電路種類繁多，主要包括智能化 /網(wǎng)絡(luò)化集成傳感器及接口電路、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路、檢測(cè)電路、集成信號(hào)源、基準(zhǔn)電壓源、集成恒流源、 A/D 轉(zhuǎn)換器及智能儀表專用集成電 路、新型功率器件、線形集成電源及開關(guān)電源、顯示器件等。低頻振蕩器也支持高頻模式和高速晶體，但連接時(shí)每端必須加電容。高頻晶體振蕩器需要外接在 XIN2 和 XOUT2 兩個(gè)引腳，并且必須外接電容。 時(shí)鐘源的選擇 ： 是通過定時(shí)控制器 TACTL 中的兩位完成，當(dāng)重新上電或者發(fā)生 POR 時(shí) (系統(tǒng)復(fù)位 )或用軟件通過 CLR 位分頻器復(fù)位 ， 但在正常操作時(shí)分頻器 的狀態(tài)是不可見的?？梢圆捎?RC 復(fù)位電路，也可以采用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位電路如圖 315 所示，其中 SW1 是手動(dòng)復(fù)位按鈕開關(guān)，待每次需要時(shí)可以手動(dòng)復(fù) 位。影響聲速的因素也很多，但對(duì)于同種介質(zhì)，聲速主要取決于溫度、壓力、粘度。 DS18B20 的測(cè)量范圍為 55～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 范圍內(nèi)，精度為 ℃ 。 DS18B20 芯片的電路連接如圖 317 所示，電源正極端經(jīng)整流二 極管 IN4007 接入電路，起到穩(wěn)定電壓的作用，溫度測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng) 2 腳的 QD 傳輸?？梢?，其測(cè)量范圍為 55℃ ～ 125℃ 。代碼的前 8 位是單線產(chǎn)品系列編碼，接著的 48 位是唯一的產(chǎn)品序列號(hào)，最后 8 位是前 56 位編碼的 CRC 校驗(yàn)值，由 CRC 的等效多項(xiàng)式函數(shù) CRC=x8+x5+x4+1 產(chǎn)生。因?yàn)?1602 識(shí)別的是 ASCII 碼，試驗(yàn)可以用 ASCII 碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如 ’A’。見表 34。 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口。如表 32 所示 ： 表 32 轉(zhuǎn)換結(jié)果的存放格式 位別 存放格式 低位字節(jié) 高位字節(jié) 23 22 21 20 21 22 23 24 MSB LSB S S S S S 26