【文章內(nèi)容簡介】 .......................................................................................30第4章 軟件設(shè)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5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(jié)...........................................................................................................................................44參考文獻(xiàn)...................................................................................................................................45致謝...........................................................................................................................................46附錄A.......................................................................................................................................47附錄B.......................................................................................................................................52第1章 緒論 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(xué)技術(shù)的重要組成部分，它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、學(xué)研究有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)過程是流量測量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)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(jìn)行監(jiān)視與控制。對流體流量進(jìn)行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟(jì)運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。 利用超聲波風(fēng)速流量計來測量生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)風(fēng)速，特別是使井下通風(fēng)量得到保證，保證安全生產(chǎn)。此外在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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?，必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進(jìn)行監(jiān)測。 本設(shè)計提供基于卡曼渦街原理的超聲波風(fēng)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(jī)微處理器。超聲波傳感器在流動空氣介質(zhì)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(fēng)速。 課題的任務(wù)設(shè)計一個超聲波風(fēng)速測量儀，——100m/s，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。 國內(nèi)外超聲波風(fēng)速測量儀的現(xiàn)狀 國外風(fēng)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(zhì)中傳播的速度等于被測介質(zhì)的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設(shè)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(guān)于流體振動頻率與流速關(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。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(cè)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(nèi)旋渦分離頻率下比于管道內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)制訂很重視，90年代初國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，1993年提出委員會草案(ISOICD 12764)，至1997年頒布為技術(shù)報告(ISO／TR 12764：1997)。由于種種原因ISO把不宜作為國際標(biāo)準(zhǔn)的一些文件列為技術(shù)報告，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文件還不足夠成熟，暫時尚不能作為國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美、日皆制訂有超聲波渦街流量計國家標(biāo)準(zhǔn)(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(guān)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(zhǔn)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(nèi)風(fēng)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(dá)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)(ZBN 1200889)和檢定規(guī)程JJG62089。專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于1998年進(jìn)行了修訂，改變?yōu)镴B／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(nèi)研究甚至在某方面科技含量更高，國內(nèi)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 本文的主要內(nèi)容是先闡述設(shè)計的背景意義，目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，后對超聲波渦街風(fēng)速計的可行性進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，利用計算機(jī)技術(shù)，電子技術(shù)以及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，設(shè)計出超聲波測量風(fēng)速的硬件部分，采用對應(yīng)的軟件程序。在硬件的設(shè)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(qū)動能力，對回波進(jìn)行多級放大處理等措施，擴(kuò)大了測量的范圍。為了保證超聲波風(fēng)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(yīng)的抗干擾補(bǔ)償措施。第2章 超聲波風(fēng)速儀測量原理及其總體設(shè)計 超聲波風(fēng)速儀原理 風(fēng)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(cè)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(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f被測介質(zhì)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(guān)系式： (21)其中：f旋渦發(fā)生頻率，Hz；V1旋渦發(fā)生體兩側(cè)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(cè)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(fēng)速V： (22)當(dāng)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(cè)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(jìn)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(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)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(jī)理所決定的。管道內(nèi)體積流量Q為： (23)式子中K是流量計的儀表常數(shù)，脈沖數(shù)/m3(P/m3) 儀表常數(shù)足除了與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈數(shù)有關(guān)。當(dāng)管道尺寸和旋渦發(fā)生體尺寸一定時，d為常數(shù)，St與雷諾數(shù)Re成函數(shù)關(guān)系。大量試驗證明，幾何形狀相同的旋渦發(fā)生體，無論尺寸大小，只要在相似的流場中(雷諾系數(shù)Re相等)，就具有相同的St數(shù)值。 旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替發(fā)生的渦列會在發(fā)生體或檢測元件上產(chǎn)生交替的橫向推力，因此，測出由此引起的交變應(yīng)力的頻率也就等于檢測到了旋渦脫落頻率。用來感受交變應(yīng)力的敏感元件可以是應(yīng)變片，也可以是壓電晶體、壓電陶瓷或其他類型的元件，由于壓電元件具有輸出信號大、損耗小、響應(yīng)快、耐溫高和機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點，故已普遍應(yīng)用于渦街流量計。圖21 超聲波風(fēng)速測量的理論分析 超聲波實際機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播是手介質(zhì)影響的，下面介紹超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播特點： 在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波頻率在20Hz到20000Hz之間的話，就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內(nèi)的震動稱為聲振動，聲振動激起的縱波稱為聲波。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。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、固體、液體中傳播。電磁波的傳播速度為3*10m/s,超聲波在空氣中的傳播速度大約為340m/s（常溫下），其速度與電磁波相差5個等級，超聲波在相同的傳播媒質(zhì)里傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率變化，波動方向與振動方向一致。 利用超聲波感知或檢測物體，有非破壞性，遙控性、實時性、可穿透性等優(yōu)點，在許多方面體現(xiàn)了其獨到之處。很早以前人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。近年來，超聲波的波長范圍已經(jīng)達(dá)到um級，頻率也已經(jīng)擴(kuò)大到GHz級，分辨率達(dá)到um級的顯微鏡已實用化。在這種頻率范圍，超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步對電子學(xué)的發(fā)展起到了巨大的作用。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波。已發(fā)明設(shè)計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。實質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器，它將其他形式的能量轉(zhuǎn)化成超聲波的能量（發(fā)射換能器來完成）和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測的能量（接收換能器來完成）。一般是用電能和超聲波能量來相互轉(zhuǎn)換。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體、欽酸鋇壓電陶瓷，錯欽酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體等。 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。所謂壓電效應(yīng)是指對某些電介質(zhì)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r，內(nèi)部出現(xiàn)極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉時又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷極性也隨著改變。相反當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象就稱為逆效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。壓電式超聲波發(fā)生器原