【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 播到接收換能器，中間有雜質(zhì)和氣泡，強(qiáng)度不斷減小，而且不穩(wěn)定。因此，對(duì)接收信號(hào)的調(diào)理是非常必要和重要的。 ： 接收信號(hào)調(diào)理電路原理框圖 一級(jí)放大電路由超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)管壁和流體，衰減較大，因此超聲接收換能器接收的信號(hào)通常比較微弱，通常為幾個(gè)mV到幾十個(gè)mV，這時(shí)，放大器的噪聲對(duì)測(cè)量的精度影響也很大，此外超聲流量計(jì)中使用的超聲波頻率較高，所以要求運(yùn)算放大器的增益帶寬積要足夠高，因此，第一級(jí)放大電路必須采用低噪聲高速放大器。本系統(tǒng)采用MAX410芯片構(gòu)成第一級(jí)放大電路，MAX41O是一種低電壓、低噪聲、精密放大器， 性能優(yōu)良，可以用來(lái)作為前級(jí)放大，： 一級(jí)放大電路超聲接收換能器接收到的信號(hào)，經(jīng)電阻從MAX41O的3腳輸入，放大后的信號(hào)由MAX410的6腳輸出，輸出的信號(hào)分兩路，一路反饋到ICICD4046的14腳用來(lái)完成鎖相，另一路送帶通濾波器進(jìn)行后續(xù)處理。本電路采用同相比例放大電路，這樣做的原因，一方面是由于同相比例放大電路的輸入阻抗高，對(duì)超聲接收換能器的影響小，另一方面進(jìn)行反饋鎖相時(shí)，保持相位。 帶通濾波電路： MAX275帶通濾波器電路 二級(jí)放大電路超聲接收換能器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大器后，信號(hào)還比較小，再經(jīng)過(guò)帶通濾波器，信號(hào)又有一定程度的衰減，因此，還需要再進(jìn)行放大。同第一級(jí)放大電路一樣，這一級(jí)放大電路也需要足夠高的增益帶寬積。這一級(jí)放大電路采用放大器INA128。 二級(jí)放大電路 第四章 超聲波流量計(jì)二次儀表部分硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理概述： 超聲波流量計(jì)系統(tǒng)原理框圖本系統(tǒng)利用超聲多脈沖聲循環(huán)法對(duì)微小時(shí)間進(jìn)行累積,然后進(jìn)行精確測(cè)量。具體工作過(guò)程是:單片機(jī)先對(duì)各計(jì)數(shù)器請(qǐng)零,使開(kāi)關(guān)K1閉合,K2合向下邊,然后控制同步電路發(fā)出一同步啟動(dòng)脈沖,觸發(fā)超聲波換能器T1發(fā)射第一個(gè)超聲脈沖波,同時(shí)使計(jì)數(shù)電路開(kāi)始對(duì)頻率為f的高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)。該超聲脈沖順流傳播,至T2處被接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、整形,一方面返回去代替同步信號(hào)觸發(fā)T1再次發(fā)射超聲波,如此反復(fù)形成順流發(fā)射聲循環(huán),另一方面進(jìn)入分頻電路進(jìn)行分頻。當(dāng)聲循環(huán)N次,分頻器滿并產(chǎn)生一信號(hào),關(guān)斷高頻方波,使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),同時(shí)單片機(jī)斷開(kāi)K1停止聲循環(huán),再使開(kāi)關(guān)K1閉合,K2合向上邊,觸發(fā)換能器T2發(fā)射。此次,T2發(fā)射T1接收,形成逆流發(fā)射聲循環(huán),。當(dāng)聲循環(huán)次數(shù)N足夠大,由于統(tǒng)計(jì)作用,上述兩次聲循環(huán)的固有電聲延遲(包括超聲波經(jīng)過(guò)換能器透聲斜楔、管壁等所需的時(shí)間以及電信號(hào)滯后的時(shí)間)之和相等,所以可得單次正逆發(fā)射傳播時(shí)間差。 ： 系統(tǒng)硬件框圖 具體工作過(guò)程如下：從單片機(jī)收到主單片機(jī)發(fā)出的測(cè)量命令后產(chǎn)生一定的波形，先對(duì)計(jì)數(shù)器清零，接著同步啟動(dòng)發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)電路開(kāi)始對(duì)高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，在接收端接收到脈沖信號(hào)后一部分返回發(fā)射端代替同步信號(hào)觸發(fā)發(fā)射電路再次發(fā)射超聲波，另一部分進(jìn)入分頻電路進(jìn)行分頻，如此反復(fù)形成順流發(fā)射的多脈沖聲循環(huán)。當(dāng)完成所定的多脈沖個(gè)數(shù)后，分頻器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，關(guān)斷高頻方波，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這個(gè)過(guò)程可以得到順流傳播的傳播時(shí)間，用同樣的方法可以得到逆流方向傳播的時(shí)間，并通過(guò)串行口送到主單片機(jī)上，主單片機(jī)收到從單片機(jī)發(fā)來(lái)的順逆流的傳播時(shí)間計(jì)數(shù)值后，對(duì)這些時(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出相應(yīng)的流速和流量，并送到LED上顯示出來(lái)。 芯片資料 總線收發(fā)器74LS24574LS245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器。它的引出端符號(hào)如下:“A”為A總線端；“B”為B總線端；“/E”為三態(tài)允許端(低電平有效)；“DIR”為方向控制端。：： 74LS245功能表/EDIR方向LLB到ALHA到BH無(wú)Isolation 計(jì)數(shù)器74S19674S196為可預(yù)置的二－五－十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，： 計(jì)數(shù)器74S196異步清除端“/CLR” 為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端CLK1和CLK2狀態(tài)如何，即可完成清除功能。計(jì)數(shù)/置入控制“/LDA” 為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端狀態(tài)如何，輸出端即可預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端（DADD）相一致的狀態(tài)。當(dāng)“/LDA” 為高電平時(shí)，在時(shí)鐘端CLK1和CLK2脈沖下降沿作用下進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。本硬件系統(tǒng)中“/LDA”端保持高電平，因此，74S196在時(shí)鐘端CLK1和CLK2脈沖下降沿作用下進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。 4040CMOS12級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器 4040為二進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器。 4040二進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器 AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次以上。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)格低廉的方案。： AT89C51它的引腳功能如下：VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：作為I/O口使用時(shí)，P0口是漏級(jí)開(kāi)路雙向口，向口鎖存器寫入1，I/O引腳將懸空，可作高阻輸入引腳；在讀寫外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口作為“低8位地址/數(shù)據(jù)”總線使用；P1口：內(nèi)部帶有弱上拉電阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P1口鎖存器寫入1，使P1口引腳被上拉為高電平。、還具有第二輸入/輸出功能；T2()：定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)輸入端或定時(shí)器T2的時(shí)鐘輸出端；T2EX（）：定時(shí)器T2外部觸發(fā)輸入端；P2口：內(nèi)部帶有弱上拉電阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P2口鎖存器寫入1，使P2口引腳被上拉為高電平。在讀寫外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高8位地址A15～A8；P3口：內(nèi)部帶有弱上拉電阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P3口鎖存器寫入1，使P3口引腳被上拉為高電平。P3口除了可作為一般I/O引腳使用外，還具有 第二輸入輸出功能； RXD：串行數(shù)據(jù)接收（輸入）端； TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送（輸出）端；：外部中斷0輸入端； ：外部中斷1輸出端； T0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的外部輸入端； T1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的外部輸入端； ：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通，低電平有效； ：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，低電平有效；RST：復(fù)位信號(hào)輸入端。高電平有效；ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效；：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)；/VPP：外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。當(dāng)/VPP引腳接地（即低電平）時(shí)，將從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼；當(dāng)/VPP引腳接高電平時(shí)，將從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀取指令；XTAL1：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸入端；XTAL2：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸出端。 超聲波順流逆流發(fā)射接收控制電路 ，由下向上的開(kāi)關(guān)名稱依次為K1 、K2 、K3，K1 為總開(kāi)關(guān)，若K1 斷開(kāi)，換能器無(wú)法與超聲波驅(qū)動(dòng)電路連接，無(wú)法發(fā)射超聲波；若K1 導(dǎo)通，換能器順流和逆流將由K2 和K3 的是否導(dǎo)通決定。最上方接換能器T1及T2，下方接發(fā)射和接收電路，通過(guò)控制K2 和K3 來(lái)控制T1及T2 哪個(gè)為發(fā)射，哪個(gè)為接收。而三個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷則通過(guò)MC1413與單片機(jī)相連，由單片機(jī)程序進(jìn)行控制。 計(jì)數(shù)電路原理概述單片機(jī)晶振頻率取為12MHz,、,進(jìn)而控制超聲波順流發(fā)射或逆流發(fā)射,。分頻計(jì)數(shù)器4040滿,將在INT1端產(chǎn)生一個(gè)下降沿,向單片機(jī)申請(qǐng)外部中斷。,從P0口讀入其中的計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)電路對(duì)已知頻率的方波計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的測(cè)量,方波的頻率越高,測(cè)量的精度越高。由于需要分辨10ns左右的微小時(shí)間差,所以高頻方波發(fā)生器選用100MHz、頻率穩(wěn)定度為1108/日的溫度補(bǔ)償晶振。實(shí)際上因?yàn)橹魂P(guān)心N1與N2之差,而NN2高位相同,低位不同,故計(jì)數(shù)電路選用4片74S196芯片串接就可滿足需要。 計(jì)數(shù)電路 從單片機(jī)的作用及選擇從單片機(jī)是信號(hào)采集及控制電路的核心，它既要接收主單片機(jī)發(fā)來(lái)的命令，使測(cè)量模塊的各部分協(xié)調(diào)工作，同時(shí)又要向主單片機(jī)回送測(cè)量數(shù)據(jù)和該部分的狀態(tài)信息。本設(shè)計(jì)從單片機(jī)選用AT89C51，它的功能主要有三項(xiàng)：（1） 控制超聲波換能器的切換并觸發(fā)換能器的第一次超聲波發(fā)射；（2） 接收電路范圍門的控制；（3） 控制計(jì)數(shù)電路的工作時(shí)序并從鎖存單元讀取計(jì)數(shù)值。 主單片機(jī)的作用及選擇主單片機(jī)選用另一片AT89C51，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和整個(gè)流量計(jì)的控制。 顯示電路 LED顯示器的結(jié)構(gòu)和原理LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成的，根據(jù)顯示塊內(nèi)發(fā)光二極管的連接方式不同，可分為共陰極和共陽(yáng)極兩種形式。發(fā)光二極管通常需要十幾到幾十毫安的驅(qū)動(dòng)電流才能正常發(fā)光，因此，由微型機(jī)發(fā)出的顯示信號(hào)必須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路才能使顯示器正常工作。使不同“段”的二極管發(fā)光即可構(gòu)成不同的字母和數(shù)字。： 顯示段碼字型共陽(yáng)極段碼共陰極段碼字型共陽(yáng)極段碼共陰極段碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHb83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HdA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H 共陰極LED結(jié)構(gòu)及靜態(tài)顯示原理 在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼管來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。對(duì)于多位數(shù)碼管來(lái)說(shuō)，為了簡(jiǎn)化線路、降低成本，往往采用以軟件為主的接口方法，即不使用專門的硬件譯碼器，而采用軟件程序進(jìn)行譯碼。由于各位數(shù)碼管的顯示段碼是互相并聯(lián)的，因此在同一時(shí)刻只能顯示同一種字符。對(duì)于這種接口電路來(lái)說(shuō)，其顯示方法有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。 動(dòng)態(tài)顯示：如果要在同一時(shí)刻顯示不同的字符，從電路上看，這是辦不到的。因此只能利用人眼對(duì)視覺(jué)的殘留效應(yīng)，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法，逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，每位顯示1ms左右，使人看起來(lái)就好像在同時(shí)顯示不同的字符一樣。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)，往往事先并不知道應(yīng)顯示什么內(nèi)容，這樣也就無(wú)從選擇被顯示字符的顯示段碼。為此，一般采用查表的方法，由待顯示的字符通過(guò)查表得到其對(duì)應(yīng)的顯示段碼。這種方式耗電少、硬件成本低，但需占用較多的單片機(jī)時(shí)間，故在工業(yè)控制中應(yīng)用較少。靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是在同一時(shí)刻只顯示1種字符，或者說(shuō)被顯示的字符在同一時(shí)刻是穩(wěn)定不變的。其顯示方法比較簡(jiǎn)單，就是利用鎖存器將各顯示單元鎖定，直到更新顯示內(nèi)容為止。它的優(yōu)點(diǎn)是軟件不必動(dòng)態(tài)掃描，送出段碼后可鎖存，直到需更改顯示字符，軟件簡(jiǎn)單，占用單片機(jī)時(shí)間較少，工作可靠，同時(shí)由于始終保持顯示所以亮度較好。由于本系統(tǒng)需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，故采用靜態(tài)顯示方式以減少單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。: 顯示電路部分電路圖 鍵盤電路鍵盤是人機(jī)對(duì)話的重要組成部分，本設(shè)計(jì)中使用了10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵：選擇修改管道直徑、選擇修改夾角、增一鍵、減一鍵、確認(rèn)開(kāi)始鍵和修改鍵。，： 鍵盤 鍵盤電路圖－“4*4行列式鍵盤”區(qū)域中的C1－C4及R1－R4端口上。 看門狗電路 由于程序在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)槭艿礁蓴_導(dǎo)致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán)”，此時(shí)最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路。 本設(shè)計(jì)選用了X25045來(lái)實(shí)現(xiàn)看門狗功能。 主單片機(jī)與從單片機(jī)的通信接口 主從單片機(jī)通信的作用 主從單片機(jī)進(jìn)行通信主要有兩個(gè)作用，一是主單片機(jī)要把鍵盤中輸入的參數(shù)傳遞給從單片機(jī)用于傳播時(shí)間的計(jì)算；二是主單片機(jī)從從單片機(jī)中讀出傳播時(shí)間的數(shù)據(jù)，用于計(jì)算流速、流量和顯示等。 主從單片機(jī)的連接方法 本設(shè)計(jì)中，為了使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，采用了主從單片機(jī)協(xié)同工作的方式。 本設(shè)計(jì)的接口連接方式是主從串行通信連接方式。串行口在工作方式0下工作時(shí)，本質(zhì)上是一個(gè)移位寄存器，SBUF為移位寄存器的輸入、輸出寄存器，外部引腳RXD為數(shù)據(jù)的輸入/輸出端，外部引腳TXD用來(lái)提供數(shù)據(jù)的同步脈沖，移位脈沖為外部晶體頻率的1/，因此在同一時(shí)刻只能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收操作。這種工作方式導(dǎo)致速度比較慢，但是在數(shù)據(jù)傳輸不太多的情況下，串行通信是非常方便的，通信速率可達(dá)1MB/s。（1）