高精度超声波微压计的设计指导老师： 某某n班级：09 测控n姓名：某某n学号：学号苏州大学苏州大学20132013届届本科本科生生学位论文学位论文答辩答辩1汇报内容研究背景超声波微压计简介、意义超声波测压原理硬件以及电路设计硬件调试软件设计2研究背景微压计发展趋势及应用发展趋势：小型化、集成化、快速现场测量等 应用：在风洞、实验室、环境监测等诸多领域微压 计都有应用微压计种类常见微压计：U型管微压计、数字微压计、补偿式 微压计和协管微压计等3研究背景U型管微压计优点：设计结构简单、 价格便宜、性能可靠缺点：人工读数、无法 测量压力瞬时变化、精 度不高、误差大数字微压计优点：集成度高、直接读 数、速度快、可测量瞬时 压力变化、精度高、携带 方便等缺点：稳点性不高、价格 高、对温度和环境要求很 高4超声波微压计介绍、意义介绍超声波微压计是以U型管微压计为基本结构、使用 超声波进行测量、并用单片机进行控制处理的高精度 微压计意义兼顾了U型管微压计和数字微压计的优点，并客服 了二者的缺点。保留了U型优 点（基本结 构简单、性 能可靠）并 客服U型管微 压计的缺点 （人工读 数、无法测 量压力瞬时 变化、精度 不高、误差 大）。结构简单、 性能稳定可 靠、不需要 人工读数、 测量精度 高、使用方 便、可以直 接读数、记 录瞬时压力5超声波测压原理超声波振动频率f20KHz 测量中用来测距超声波换能器测量中用来发射和接受超声波 微压计中使用的换能器是压电换能器基本原理利用超声波测量水柱高度从而求得压力所谓的换能器就是 进行能量转换的器 件，它可将一种形 式的能量转换成另 一种形式的能量。 能量的形式是多种 多样的，因而换能 器的形式也不同。 超声波换能器是一 个可以把电能转换 成高频声能，并且 也能够把声能转换 成电能的器件换能器可以分 为磁性换能器 和电性换能 器。其中，磁 性换能器包含 有电磁式、电 动式、磁致伸 缩；而电性换 能器有压电 式、电容式、 电致伸缩式压电换能器是一 种基于某些晶体 的压电效应来实 现电声能量转换 的电性换能器。 此压电换能器具 有正压电效应和 逆压电效应。6超声波测压原理图b两管的压力差：所以只要精确测得 h0和h1即可准确测量 出压力。并且测量压 力差与超声波换能器 放的位置无关。而超声波测距的基本 工作原理是：发射探 头发出超声波，在介 质中传播遇到障碍物 反射后再通过介质返 回到接收探头，测出 超声波从发射到接收 所需的时间，然后根 据介质中的声速，就 能算得从探头到障碍 物的距离。 故利用超声波测距的 基本原理就可以进行 超声波测压了。 在环境温度是25C时 ，超声波在纯净水中 的传播速度大约是 1480米/秒。根据超声 波在水中这一特性就 可以设计出超声波微 压计。超声波测压的基本原理 是通过超声波在液体中 传播，碰到液柱的液面 返回，测量超声波往返 时间来计算出液柱的高 度，即可由液柱高度的 变化得出压强。超声波换能器 发出超声波， 此时计数器开 始计数，超声 波到达液面反 射回来由环能 器接收，使计 数器停止计数 ，由计数个数 可得超声波传 播时间，由此 可得液柱高度玻璃管中液体是纯水话， 可用mmH2O（ =9.80665Pa）压力7超声波测压原理图超声波测压原理超声波传播时间则液柱的高度两管压力差如采用 12MHz高 频脉冲声 波作为计 时单位， t时间内 得到脉冲 数为n个计时脉冲时序图8超声波测压原理图超声波测压原理测量分辨率常温下采用12MHz的脉冲作为计时单位：提高分辨的方法使用更高频率计时脉冲（使用24MHz脉冲分辨率 可达0.03mmH2O） 使用密度低的液体（再使用酒精分辨可达 0.024mmH2O）该微压计适合绝大多 数场合微小压力的测 量。这种微压计测量 速度非常的快，可以 做到每秒钟几百次的 测量速率，因此能捕 捉压力的瞬态变化。9发射电路接收、发大电路计数电路显示电路硬件以及电路设计10超声波微压计结构图发射电路由于收发超声波使用 的是同一换能器，水柱 不长，为了提高测量精 度，所以采用单脉冲发 射方式。由单片机发出 启动脉冲，经 过微分电路， 使得三极管瞬 间导通，在超 声波换能器上 得到一个前沿 很陡的高压脉 冲，由此换能 器向液面发出 超声波脉。首先CLR端 有一个低电 平对D触发 器清零，这 时Q段为低 电平；然后 CLR端变高 ，CLK端有 一个 START信 号，Q为高 电平，经过 微分电路得 到一个尖脉 冲，它使得 三极管导通 产生超声波 发射信号如 图5所示11超声波发射波超声波发射电路接收、发大电路信号来自于 超声波换能 器，输入于 单片机该接收、放大电路 将从换能器接收的信号 经过放大整形得到脉冲 信号，并由输出口输出 给单片机。超声波换能器接收到的第 一发射波信号经由A进入放 大电路，首先经比例微分 电路将信号放大，如B点； B点信号再经过RC微分电 路使信号变得更尖陡，然 后该信号再经过精密检波 电路检波（整形）后，得 到C点信号再经由RC滤波 后得到反射波的包络线； 为消除地线及杂波等干扰 信号，同时增强信噪比， C点的信号再经过一个带 有域值比较的放大器进一 步放大，得到一个比较干 净而幅值足够大的第一发 射波信号D；之后再通过 比较电路得如E所示的波形 ；最后，经微分电路使波 形变尖变陡，得输出波形 H1，最后把该信号作为触 发信号（H1）给计数系统 ，使其停止计数。至此， 完成反射波信号的放大与 处理。超声波在液柱中会来 回反射很多次，因此 ，我们只要记录从发 射超声波到收到第一 反射波之间的计数个 数，在完成第一反射 波的处理后，我们就 需要立即停止计数， 而这部分的工作我们 使用控制电路（即单 片机）来实现。12信号接收、放大电路放大电路各点波形图计数电路电路采用的控制系统是 MCS-51系列单片机。电 路中的74LS393是一块双 4位二进制计数器（异步 清除），在这里用来作为 分频器。我们使用的单片 机是12MHz的晶振，其最 高计数频率为500KHz， 这里的超声波计时系统采 用的是12MHz的高频脉冲 ，因此通过74LS393把 12MHZ的脉冲256分频， 这时脉冲频率变为 46.857K，这样就满足了 单片机的计数频率。 74LS393同时也作为计数 中数据的低八位，单片机 中的数值为高16位，这样 我们也可以计到24位，计 数范围为0-1677721574 。因此，可以通过理论计 算得到最大测量水柱的高 度为：电路中74LS393是一块双4位二进制计数器，这里用作分 频器。使用的单片机是12MHz的晶振，其最高计数频率为 500KHz，故12MHz脉冲要256分频后才能使用。 74LS393作 为计数中数据的低八位，单片机中的数值为高16位，这样计数 范围为0-1677721574。则该微压计最大测量水柱的高度为：由于所使用的超声波换能器 同时作为发射和接收装置用 ，为了避免发射信号对放大 器的干扰，发射超声波前， 先令P2.7位低电平，这时与 门被封锁。延迟一段时间， 将与门开放，等待第一反射 波的触发。当P2.5发出 START信号时，U10A7474 的5脚产生一个高电平，送 往超声波发射器同时送到 U10：B7474的13脚和U8： B7411的4脚。7474的13脚 变为高电平，U10：B7474 和U8：B7474打开，将 P2.7置位，U8：C7411打 开。这时脉冲信号可以通过 ，计数器开始计数。换能器 接收到第一反射波，经放大 后即为H1，通过与门U8： C7411作为U10：B7474的 时钟脉冲输入，这时7474 的9脚Q变为高电平，而8脚 Q变为低电平，U8：B7411 的3脚也变为低电平，这时 与门就被锁存，计数停止。 13超声波微压计脉冲计数电路显示电路我们采用位LED 进行设定参数和测 量结果的显示，该 显示电路为动态扫 描显示时。设定参 数主要是液体的比 重。14键盘扫描和LED显示电路硬件调试测量中存在一个“死 区”，即在该高度的液 柱下无法进行测量。这 是由于超声波在液体中 传输很快，假如传输距 离太短，可能计数器还 来不及开始计数就接收 到返回的超声波，停止 计数，这样就得不到结 果。由于超声波在水中的传 播速度很快，当我们发 出超声波信号时同时开 计数，但打开计数器与 响应都需要一定的时间 ，如果距离太短，超声 波往返的时间就太短， 可能计数器还来不及开 始计数就接收到返回的 超声波，停止计数，这 样就得不到结果。15测量死区示意图软件设计该微压 计的软件设 计首先要解 决两个重要 问题，就是 实时和同步 的问题。该微压计的软件设计首先 要解决两个重要问题，就 是实时和同步的问题。首 先，计数要在超声波发出 的同一时刻进行；再则， 就是当接受到第一反射波 的同时，就要立即停止计 数；还有，由于发射以及 就收是同一超声波换能器 完成的，所以超声波的发 射端和接收放大电路的输 入端是连接在同一点上的 ，则在发射超声波的同时 ，接受放大电路同样也会 接收到发射信号，假如不 采取一定的措施的话，这 就会误将发射波当做第一 反射波，这时计数器刚启 动就会关闭，造成误操作 ，所以此时要采取必要的 措施，对放大器的输入端 进行屏蔽处理。上文已经 提到过对于这个问题的处 理方法，就是发射超声波 前，先令P2.7位低电平。另一方面，发射的电脉冲信 号有一定的宽度，对超声波 的激励是利用发射脉冲的前 沿，加之电路存在延时效应 ，根据上述情况，应在发射 后的一段时间内需要屏蔽放 大电路的输入端，延时一段 时间后再开放，以免误触 发。因此，从发射信号到开 放接收电路之间产生一个固 定的时间差，必然存在一个 测量死区，当液位高度小于 死区高度时是无法测量的。 对于程序，首先要清零，然 后给一个触发信号，超声波 发射，开始计数，当接收到 第16测量程序的流程图致谢本论文是在导师某某教授的悉心指导 下完成的。从最初论文的、实验研究、实 验资料的采集到现在论文的最后完稿，所 取得的每一点成绩都倾注了导师的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷 心的感谢！ 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论 文和参加答辩的各位老师!17