【文章內容簡介】 .........................................................20 三極管放大電路 .........................................................................................22 超聲波發(fā)射換能器 .....................................................................................22 超聲波檢測接收電路設計 ......................................................................................23 多反饋型濾波器 .........................................................................................24 包絡檢波， OPA 積分器， RC 高通濾波 ..................................................25 電壓比較器的施密特接法 .........................................................................28 鍵盤 ..........................................................................................................................30 第四章 軟件設計 .....................................................................................................................32 主程序 ......................................................................................................................32 超聲波接收子程序 ..................................................................................................34 顯示子程序 ..............................................................................................................36 鍵盤子程序 ..............................................................................................................37 計算子程序 ..............................................................................................................39 第五章 抗干擾處理 .................................................................................................................41 硬件抗干擾處理 ......................................................................................................41 軟件抗干擾處理 ......................................................................................................43 總結 ...........................................................................................................................................44 參考文獻 ...................................................................................................................................45 致謝 ...........................................................................................................................................46 附錄 A.......................................................................................................................................47 附錄 B.......................................................................................................................................52華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 第一章 緒論 課題的背景和意義及任務 課題的背景意義 計量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛。流量計量是計量科學技術的重要組成部分，它與國民經(jīng)濟、國防建設、學研究有著密切的關系。工業(yè)生產(chǎn)過程是流量測量與儀表應用的一大領域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質量、降低物質消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎。 利用超聲波風速流量計來測量生產(chǎn)過程 中的重要參數(shù) 風速，特別是使井下通風量得到保證，保證安全生產(chǎn)。此外在環(huán)境保護領域，流量測量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴荆仨殞ξ廴敬髿獾臒煔庖约捌渌麥厥覛怏w排放量進行監(jiān)測。 本設計提供基于卡曼渦街原理的超聲波風速測量裝置， 該裝置利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器和單片機微處理器。超聲波傳感器在流動空氣介質中收，發(fā)超聲波，檢測頻率發(fā)生變化的矩形方波，通過計算式來求得風速。 課題的任務 設計一個超聲波風速測量儀，要求測量范圍在 —— 100m/s，測量精確度，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果。 國內外超聲波風速測量儀的現(xiàn)狀 國外風速測量儀的現(xiàn)狀 超聲波流量計是基于超聲波在流動介質中傳播的速度等于被測介質的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設計的。它也是由測流速來反映流量大小的。超聲波流量計雖然在 70年代才出現(xiàn)，但由于它可以制成非接觸型式，對流體又不產(chǎn)生擾動和阻力，所以很受歡迎，是一種很有發(fā)展前途的流量計。 國外早在 1878年斯特勞哈 (Strouhal)就發(fā)表了關于流體振動頻率與流速關系的文章，斯特勞哈數(shù)就是表示旋頻率與阻流 體特征尺寸、流速關系的相似準則。超聲波渦街流量計是在流體中安放一根 (或多根 )非流線型阻流體 (bluffbody)，流體在阻流體兩側基于單片機的風速測量儀的設計 第 2 頁 交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內旋渦分離頻率下比于管道內的平均流速，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。 70、80年代超聲波渦街流量計發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測法的超聲波渦街流量計，并大量生產(chǎn)投放市場。國外對超聲波渦街流量計標準制訂很重視， 90年代初國際標準化組織 (ISO)即成立起草工作組起草超聲波渦街流量計國際標準， 1993年提出委員會草案 (ISOICD 12764)，至 1997年頒布為技術報告 (ISO／ TR 12764： 1997)。由于種種原因 ISO把不宜作為國際標準的一些文件列為技術報告，例如得不到足夠支持率的文件，技術尚在發(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文件還不足夠成熟，暫時尚不能作為國際標準發(fā)布。工業(yè)發(fā)達國家如美、日皆制訂有超聲波渦街流量計國家標準 (ASMEIANSI MFC6M1987和 JIS 287661989)D1。目前，將超聲波渦街流量計用于流量測量，需要研究的關鍵性問題：一 是抑制流場噪聲的影響，流場的穩(wěn)定性、均勻性不僅對卡門渦街的形成和分離有影響，而且對各種敏感元件的檢測效果也有直接影響。附加的旋渦干擾了渦街信號，降低了信噪比；二是準確測量小流量，因為小流量所產(chǎn)生的橫向升力較小，檢測信號非常微弱，易受流體沖擊振動噪聲和管道振動噪聲的影響，存在一個量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小量不能測量。 國內風速測量儀的現(xiàn)狀 我國超聲波渦街流量計的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，到目前為止全國生產(chǎn)廠已多達數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國外亦未曾有過。超聲波渦街流量計己躋身通用流量計之列，無論國內外皆已開發(fā)出多品種、全系列、規(guī)格齊全的產(chǎn)品，對于標準化工作亦很重視，我國早在 80 年代就制訂了渦街流量計專業(yè)標準 (ZBN 1202189)和檢定規(guī)程 JJG62089。專業(yè)標準于 1998 年進行了修訂，改變?yōu)?JB／ T 92491999．檢定規(guī)程則與其他速度式流量計的檢定規(guī)程合并為一個新的檢定規(guī)程 JJGl98— 94。 國內研究甚至在某方面科技含量更高，國內流量計一般分為以下這幾種： 1) 容積式流量計 2) 葉輪式流量計 3) 差壓式流量計 (變壓降式流量計 ) 4) 電磁流量計 5) 超聲波渦街流量計 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 超聲波測距的研究內容 本文的主要內容是先闡述設計的背景意義，目前國內外的現(xiàn)狀，后對超聲波 渦街風速計 的可行性進行了理論分析的基礎上，利用計算機技術，電子技術以及超聲波在介質中的傳播特性，設計出超聲波測量風速的硬件部分，采用對應的軟件程序。在硬件的設計過程中，針對超聲波在傳播時呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅動能力，對回波進行多級放大處理等措施，擴大了測量的范圍。為了保證超聲波風速測量儀能很好的工作，提高工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟件和硬件方面都采用的相應的抗干擾補償措施。基于單片機的風速測量儀的設計 第 4 頁 第二章 超聲波風速儀測量原理及其總體設計 超聲波 風速儀原理 風速測量原理 卡曼渦街 渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體 (渦街流量傳感器中稱之為旋渦發(fā)生體 )，就會在其下流兩側產(chǎn)生兩列有規(guī)律的旋渦即卡門渦街，其旋渦頻率正比于來流速度。如圖 1— 1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。設旋渦的發(fā)生頻率為 f被測介質來流的平均速度為 n旋渦發(fā)生體迎面寬度為 d．表體通徑為 D。根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關系式： ???????????????????????????2121s i n121DdDdDdmmdvSdvSf tt? (21) 其中： f旋渦發(fā)生頻率， Hz； V1旋渦發(fā)生體兩側平均流速， m／ s； D旋渦發(fā)生體直徑， mm； St昕特勞哈數(shù) (無量綱 )； m旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比。 因此，只要測出渦街產(chǎn)生的頻率 f，就可得出風速 V： fSrmdV ? (22) 當 d和 St為定值時，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。渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是旋渦發(fā)生體兩側的流速。對于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映旋渦發(fā)生體兩側的流速與管道平華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 均流速的關系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。管道內體積流量 Q為： mdDSQfKSmd fDvDQtt222444??????? (23) 式子中 K是流量計的儀表常數(shù)，脈沖數(shù) /m3(P/m3)