【正文】 超聲波接收換能器TCT4012R） 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)如圖313，是本設(shè)計(jì)采用的超聲波接收電路。多諧振蕩器無外部信號(hào)輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋０粗笖?shù)規(guī)律下降，當(dāng)時(shí)比較器輸出由０變?yōu)椋保遥佑|發(fā)器的，Ｑ的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由0翻轉(zhuǎn)為１，這時(shí)，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。這里選用的是TCT4012T發(fā)射頭。 這部分電路的作用是由單片機(jī)控制產(chǎn)生頻率為145KHz的超聲波。 ~ 經(jīng)電阻R31 ~ R34與三極管Q1 ~ Q4的基極相連，然后三極管的發(fā)射極接5V電源端，集電極接數(shù)碼管的位選通端。這里選用的是共陰極的四位數(shù)碼管。報(bào)警電路連接到單片機(jī)RXD/，同過程序，可以使該引腳在符合特定條件時(shí)置高位，從而使三極管8550導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。圖34如圖所示，這部分電路主要包括:1. 蜂鳴器B 。 報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖34，是本設(shè)計(jì)采用的報(bào)警電路。上節(jié)已對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。 這部分電路的作用是作為超聲波測(cè)距系統(tǒng)的核心，運(yùn)行整個(gè)程序，使系統(tǒng)能夠正常工作，并按照預(yù)期的目標(biāo)完成任務(wù)，且能達(dá)到要求的精度。XTAL1: 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。EA/VPP: 訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。否則，ALE 將被微弱拉高。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。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。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。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。在單芯片上，擁有靈巧的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。主要性能：l 與MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容l 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：0Hz～33Hzl 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。（6） 顯示及其報(bào)警等等。（2） 脈沖串通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。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。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Ф=0聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。如圖24圖23圖24 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。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。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)。共振板 電極 壓電晶片 圖22 超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。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。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。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。很早以前人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。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。 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。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。因此，只要測(cè)出渦街產(chǎn)生的頻率f，就可得出風(fēng)速V： (22)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)。如圖1—1所示。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。 國(guó)內(nèi)風(fēng)速測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀我國(guó)超聲波渦街流量計(jì)的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，到目前為止全國(guó)生產(chǎn)廠已多達(dá)數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國(guó)外亦未曾有過。由于種種原因ISO把不宜作為國(guó)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)文件還不足夠成熟，暫時(shí)尚不能作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。國(guó)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。 課題的任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波風(fēng)速測(cè)量?jī)x，——100m/s，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。此外在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，流量測(cè)量?jī)x表也扮演著重要角色。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(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、學(xué)研究有著密切的關(guān)系。(3) The output signal from fluid properties (temperature, humidity, pressure, position, density, viscosity, mineral dust, etc.) sensors in coal mine safety monitoring system has wide application prospects.Key words: wind speed measurement。 v flow velocity, m / s。s poles plus pulse signal, the frequency is equal to the natural oscillation frequency of the piezoelectric chip, the piezoelectric resonance occurs, and promote the vibration of ultrasonic resonance board, then it is an ultrasonic generator?；居?jì)算公式為：f——旋渦頻率，Hz ；v——?dú)饬魉俣?，m／s ；d——旋渦發(fā)生體直徑，mm；St——斯特拉哈爾系數(shù)(雷諾數(shù)在200～50 000范圍內(nèi)，St為常數(shù))。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。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。超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路主要由555定時(shí)器，74LS123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。單片機(jī)采用89S52或其兼容系列。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?jī)x的軟硬件設(shè)計(jì)。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于AT89S52單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x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(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。因此不能滿足高效、快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)代化軍事和長(zhǎng)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。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。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)。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)RRRCC6和1/4 LM324組成的選頻放大電路放大后，送檢波電路Dl、CR10進(jìn)行包絡(luò)檢波，檢出渦街信號(hào)。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。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。關(guān)鍵詞：風(fēng)速測(cè)量；卡曼渦街；單片機(jī)AT89C52；溫度補(bǔ)償VIIThe 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 decisive effect on the use of wind energy, wind resources also requires that there be lengthyaccurate present, the wind speed measurement apparatus main hot wire, hotfilm, and the wind cup of principle of wind speed measured several low precision, range of small, measuring cycle is long, continuous working hours, and the measurement results vulnerable to external environmental 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 transducer, using AT89S52 MCU as controller to plete the ultrasonic velocity meter hardware and software language programming method used to achieve the measurement results of the calculation and can be pleted, LED digital display clear and stable, reliable measurements, range finder error is less than / s. System hardware design The hardware design includes single chip systems and display circuit, keyboard, temperature pensation circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver circuit of three 89S52 or patible with crystal with high precision in order to obtain a stable clock frequency, reducing measurement uses the 555 timer 145kHz square wave signal generated using the count of T1 port monitoring ultrasonic receiver circuit to return plastic filtered output circuit using a simple and practical four mon cathode LED digital tubes, with 74HC244 driver cod