【正文】 系列單片機具 有超低功耗、 16 位的體系結構、 A/D 轉換器、串行通信接口、硬件乘法器、 LCD 驅動電路以及高抗干擾能力等優(yōu)點，特別適合應用在智能化和便攜式的產(chǎn)品中。低頻振蕩器在低頻和高頻模式時都可以選擇從 XIN 引腳接入一個外部輸入時鐘信號，但所接頻率必須根據(jù)所設定的工作模式來選擇，并且 OSCOFF 位必須復位。復位電路的作用就是當系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。 圖 316 上電清除電路 +C 1 71 0μ FS W 1R91 00 K Ω+ 3. 3 VR 1 11 0K Ω+ 3. 3 VS W 225 佳木 斯大學信息電子技術學院 溫度補償電路 在 超聲波測量的一系列應用中，所使用的最基本手段首推超聲時差測量，其次是時域上接收信號幅度和寬度特性的測量及頻域上頻譜特性的測量等等，超聲波測量正是通過這些基本手段來完成待 測非電量測量的。 DS18B20 適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。C ） 數(shù)字輸出（二進制） 數(shù)字輸 出（十六進制） +125 +85 + + + 0 55 0000 0111 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0001 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 07D0H 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FF6FH FC920H 對測量結果的存放格式也有相應的規(guī)定，以方便在實際中來調(diào)用，其中低位和高位都有相應的格式。 1602 采用標準的 16 腳接口。因為 1602 識別的是 ASCII 碼，試驗可以用 ASCII 碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如 ’A’。可見，其測量范圍為 55℃ ～ 125℃ 。 DS18B20 的測量范圍為 55～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 范圍內(nèi)，精度為 ℃ 。復位電路如圖 315 所示，其中 SW1 是手動復位按鈕開關，待每次需要時可以手動復 位。 時鐘源的選擇 ： 是通過定時控制器 TACTL 中的兩位完成，當重新上電或者發(fā)生 POR 時 (系統(tǒng)復位 )或用軟件通過 CLR 位分頻器復位 ， 但在正常操作時分頻器 的狀態(tài)是不可見的。低頻振蕩器也支持高頻模式和高速晶體，但連接時每端必須加電容。22 佳木 斯大學信息電子技術學院 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 Ui是從反相端輸入，故輸出的高、低平電壓與正常輸出相反。為了區(qū)別，反相端和同相端分別用和 +標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。在 2 端和 3 端分別同時加輸入電壓u和 u+，則有 式 (39)中， ud=u+u， A 為運放的電壓放大倍數(shù) (或電壓增益的絕對值 )?，F(xiàn)在分析其中一級放大電路，其簡化 電路模型如圖 39。這不僅因為40KHZ 的傳播頻率較低，同時 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 。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用。分頻后的信號又經(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 斯大學信息電子技術學院 過 9012 與 9013 推挽功放，后面又加了一級放大，使得功率足夠驅動超聲波換能器。其中，圖 32 采用集成電路 NYKD 來驅動發(fā)射換能器 ； 圖 33 采用 555 時基集成電路來構成的驅動電路，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動電路，因其價格便宜，元件普通，調(diào)試也方便。供電電源電路是輔助單元。要求所選用的傳感器的性能穩(wěn)定，滿足測量比重的要求。本文選用壓電、非一體式超聲波換能器組成超聲波傳感器。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)實際要求通過簡單的編程實現(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)的溫度補償要求。溫度對蓄電池的影響主要是 ： 電解液溫度高時，其擴散速度增加，電阻降低，電池電動勢也略增加，因此在一定范圍內(nèi)蓄電池的容量隨溫度增加而增加。由于接收換能器接收的信號比較微弱 (只有幾十毫伏 )，通過放大電路將其電壓信號進行放大，本系統(tǒng)選用 LF357 進行了兩級放大，放大倍數(shù)接近 400 倍，放大后的電壓信號經(jīng)過檢波二極管和電容組成的檢波的電路后變?yōu)檩^簡單的電壓信號波形，在 經(jīng)過 LMll9 型號的比較電路轉換成比較規(guī)則的方波信號，此信號經(jīng)過12 佳木 斯大學信息電子技術學院 耦合器送入到單片機，作為觸發(fā)的中斷信號。 (211)2y =7 51. 11 824 .94 4x+ 282 .81 2x212（ ）11 佳木 斯大學信息電子技術學院 下，系統(tǒng)衰減量為 0dB～ 120dB，連續(xù)可調(diào)，動態(tài)范圍為 30dB 以上，最大增益時的噪聲為 10%以下。 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。 超聲波測量比重的工作原理 超聲波測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)來檢測的。 隨著科技的進步，堅固耐用、有精確感應能力的超聲波傳感器逐漸被人們所認同，相對其他傳感器而言，超聲波傳感器可以更加簡單、靈活，性價比更高。壓電晶片振動損耗的能量主要是由內(nèi)摩擦引起的， θm值對分辨力有較大的影響， θm值越大，表示損耗越小，晶 片持續(xù)振動時間越長，脈沖寬度越大，分辨力越低。 (2) 壓電電壓常數(shù) ： 表示作用在壓電晶體上單位應力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。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。而醫(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高 ，需要單獨的制冷設備。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。其最基本的功能是能把電壓信號轉換成超聲波，完成電能與機械能的相互轉換。其中，充電反應的化學方程式為 : PbSO4+2H2O=Pb(負極 )+PbO2(正極 )+2H2SO4 放電過程反應的化學方程式為 : Pb(負極 )+PbO2(正極 )+2H2SO4=PbSO4+2H2O 公式 (21)、 (22)的正確性可從 以下三個方面得到證 實： (l) 用化學分析等方法確認正極活性物 質(zhì)的組成為 PbO2，負極活性物質(zhì)的組成為 Pb。荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛 。當被測液體的比重發(fā)生變化時，超聲波傳播定長距離的發(fā)射和接收波形的相位及傳播時間都會有所不同，就是根據(jù)這一原理來研究液體比重測量的。 (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，通過換能器轉換成高頻機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，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計 的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡 (空化核 )在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當團體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達到清洗件表面凈化的目的。聲波頻率的界限如圖 11 所示，其中，一般工業(yè)探測使用的頻率約為 105～ 106Hz。此方法因為音叉裝置太大，不方便放進蓄電池的單格中，因此也不便用來測量蓄電池電解液的比重。 隨著電子技術和傳感器技術的發(fā)展和 日臻成熟，以及對比重測量要求的不斷提高，電子傳感器測量液體比重逐漸發(fā)展起來。本文研究利用超聲波測量液體的比重值，用單片機控制超聲波的發(fā)射和接收，將超聲波在電解液中傳播，然后得到定長的傳播時間差，以此來研究測量液體的比重 值。目前常用的比重計有吸式比重和浮式比重計，這兩種比重計都是利用浮子在電解液中所受的浮力來測量電解液的比重，由于硫酸的粘滯性很大，在實際測量中，浮子常常 00 被粘附在器壁上，從而造成讀數(shù)的不準確，因此傳統(tǒng)的比重測量方法操作麻煩、效率低，易受外界因素影響，局限性太大。本方法可以有效地提高測量比重的效率 ， 另外，根據(jù)實踐， 20℃ 的相對密度值 ρ 每下降，相當于鉛酸蓄電池放電 6%。電荷耦合器件 CCD 是一種新型光電轉換器件，它具有測量速度快、精度高、可靠性好的優(yōu)點，因而在遙感、信號處理、工業(yè)測量及軍事等方面得到廣泛應用。此方法也是因為要把浮子放進被測液體中，同樣存在液體粘滯性導致讀取誤差過大。它的工作原理是超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結構變化的技術稱為超聲探傷。此外再結合解剖學知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。 (3) 第 3 章 超聲波 比重測試的硬件 設計：本章主要涉及到硬件電路的具體設計，給出了發(fā)射電路、接收電路、 單片機的外圍電路 和電源電路，并對各個部分進行了調(diào)試，給出了詳細的設計電路圖，見附錄。(25℃ 時 )，因此在鉛酸蓄電池中，電解液稀硫酸的濃度大小對蓄電池中電能的存儲和蓄電池的使用壽命影響很大。 由以上分析可以道，電解液比重對蓄電池起著至關重要的作用，電解液比重的過大或者過小都會對蓄電池的正常工作帶來不良的影響。 圖 21 超 聲波換能器 超聲波換能器是一種可逆換能器，又稱為超聲波探頭 ，它 是利用超聲波特性研制而成的。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們在選用換能器之前必須預先了解它的性能。 超聲波換能器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。常用的多晶材料有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛等，多晶材料又稱壓電陶瓷。因此，根 據(jù)不同的應用要求選用不同的介電常數(shù) ε。晶片厚度一定，頻率常數(shù)大的晶片材料的固有頻率愈高。超聲波傳感技術應用領域廣泛，在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。圖 22 為 工作原理框圖，給出了各部分的銜接。 超聲波作為一種縱波在液體中傳播時，其聲壓隨液體分子產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應地做周期性的變化，形成疏密波，利用超聲光柵對不同 比重 的 液體進行測量，然后根據(jù)測量結果進行數(shù)據(jù)擬合，得到 的 超聲波傳播速度與液體 比重 的關系式 如下： 其中 y 為液體比重， x 為超聲波傳播時間。 測 溫 電 路發(fā) 射 電 路晶 振 指 標 計 時 門發(fā)射換能器接收換能器放 大 器比 較 電 路整 形 電 路單片機超 聲 波 圖 23 功能模塊框圖 發(fā)射部分 發(fā)射電路主要由 晶振、分頻電路、推挽電路、功放電路組成，供電電源有 5V、12V 兩種。當單片機發(fā)射信號給發(fā)射電路 時啟動 計時， 而在 單片機接收到接收電路的電壓信號時，產(chǎn)生中斷，計數(shù)停止?；钚晕镔|(zhì)脫落，當腐蝕產(chǎn)物變得很厚或板柵變得相當薄時，板柵電阻增大，是蓄電池容量下降，直至蓄電 池失效。 本系統(tǒng)中設置了兩個置位復位開關 SW1 和 SW2，由單片機控制雙 D 觸發(fā)器 CD4013 的 4引腳接入單片機的 引腳，連續(xù)發(fā)射方波脈沖信號并啟動定時器 TA，同時發(fā)出允許方波信號驅動超聲波發(fā)射換能器。 (3) 頻率響應特性。 14 佳木 斯大學信息電子技術學院 第 3 章 超聲波比重測量的硬件設計 外圍電路是實現(xiàn)系統(tǒng)的物質(zhì)載體，也是系統(tǒng)實現(xiàn)功能的關鍵基礎。 發(fā)射電路單元 由于本系統(tǒng)的目的是要測量液體的比重，對精度要求很高，而目前現(xiàn)有的大部分驅動電路的發(fā)射頻率都是 40kHz，這個頻率在空氣中傳播效果很好，而在液體中傳播效果則很差，因此要解決高精度的問題，就必須把頻率提高 上去，本系統(tǒng)選用 1MHz 的發(fā)射頻率。電路組成元件主要包括 晶振、雙 D 觸發(fā)器 CD401由 9012 和 9013 組成的推挽功放電路、 IRF830 場效應管放大、以及與發(fā)射換能器耦合的 l000PF 的無極性電容。工作時，兩管的基 射極間的輸入信號