超聲波功率測(cè)試儀

1、超聲波強(qiáng)度測(cè)量?jī)x指導(dǎo)老師：李正中 組員：劉旭升 戴振華 楊財(cái)摘要：本設(shè)計(jì)由8位MCU為主控制器，通過(guò)壓電傳感器檢測(cè)，并分別進(jìn)行兩部分處理：由AD637應(yīng)用電路進(jìn)行RMS to DC轉(zhuǎn)換以及運(yùn)放進(jìn)行處理，可處理信號(hào)范圍為10mV1V；由RC濾波分別進(jìn)行高通濾波和低通濾波，并通過(guò)比較器將波形轉(zhuǎn)換為方波，可測(cè)量頻率范圍為15KHz1.5MHz。在此測(cè)量?jī)x中，我們使用可充電電池為其提供電壓，并設(shè)計(jì)充電電路進(jìn)行充電。與此同時(shí)，通過(guò)Nokia3310LCD人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置，亦可顯示測(cè)量數(shù)值?？偠灾?，這是一款成本低、易操作、實(shí)用性高的超聲強(qiáng)度測(cè)量?jī)x。關(guān)鍵詞：超聲波 MCU 測(cè)量?jī)x器一、 方案論證與比較供電

2、模塊方案比較：方案一：采用LM2596-5.0降壓開關(guān)型穩(wěn)壓芯片，由12V適配器輸入經(jīng)電解電容濾波和芯片降壓處理后得到目標(biāo)輸出電壓5V。此方案的缺點(diǎn)在于本設(shè)計(jì)還需要用放大器，無(wú)法滿足放大器供電的需求。方案二：采用電腦USB接口進(jìn)行5.0V供電，經(jīng)MAX3232芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)經(jīng)穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓后分別在Pin2、Pin6輸出+5.1V、-5.1V。此方案可為放大器供電，同時(shí)可以用于串口通訊，并且硬件電路簡(jiǎn)單。因此本設(shè)計(jì)采用了方案二。RMS to DC轉(zhuǎn)換芯片方案比較：方案一：采用AD736真有效值直流轉(zhuǎn)換芯片，準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、頻率特性好（工作頻率范圍可達(dá)0460kHz）、輸入阻抗高、

3、輸出阻抗低、電源范圍寬（+2.8、-3.216.5V）且功耗低（最大的工作電流為200A）。此方案的缺點(diǎn)在于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求高精度并且能夠?qū)π盘?hào)電平的急劇變化做出快速響應(yīng)，AD736芯片無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用AD637真有效直流轉(zhuǎn)換芯片，接受高達(dá)7V真有效值的輸入電壓，精度更高、帶寬更寬的真有效值轉(zhuǎn)換器，對(duì)于1V真有效值輸入，其-3dB帶寬為8MHz，同時(shí)具有輔助dB輸出和省電特性，可將靜態(tài)電流從3mA降至450A。此方案適用于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求。因此本設(shè)計(jì)采用了方案二。二、 電路與程序設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖1 系統(tǒng)框圖 2.2 超聲信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)圖2 如圖2所示，在理想狀態(tài)下，

4、超聲波采集到的波形是正弦波，但在實(shí)際情況中，超聲波采集到的波形大致呈現(xiàn)正弦波，并在正弦波上會(huì)出現(xiàn)噪聲干擾等狀況。因此，必須通過(guò)圖中D2、D3的作用進(jìn)行噪聲抑制，并將信號(hào)進(jìn)行分壓后再輸送，使輸送到單片機(jī)內(nèi)的電壓值不會(huì)過(guò)高，而導(dǎo)致IC的損壞。2.3 RMS to DC轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)圖3如圖3所示，通過(guò)超聲數(shù)據(jù)采集的Vin，經(jīng)AD637應(yīng)用電路進(jìn)行RMS to DC轉(zhuǎn)換為直流電平，并由高速運(yùn)放TLE2081應(yīng)用電路以及模擬開關(guān)MC14066進(jìn)行三種可選擇的放大倍數(shù)，經(jīng)放大后的AD0輸送到單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)行程控放大。放大倍數(shù)分別為0.1、1、10。2.4 頻率采集模塊設(shè)計(jì)圖4 如圖4所示，通過(guò)超聲數(shù)

5、據(jù)采集的Vin，分別經(jīng)RC低通濾波和RC高通濾波進(jìn)行濾波，并由單片機(jī)控制的OC0輸出0V，與濾波后的信號(hào)輸送到LM293雙運(yùn)放比較器，使波形由正弦波轉(zhuǎn)換為方波，再由單片機(jī)控制MC14066芯片進(jìn)行模擬開關(guān)控制。最后利用AVR單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1進(jìn)行在一定時(shí)間內(nèi)，計(jì)算脈沖的數(shù)量，即可計(jì)算出頻率，或者可使用T1的輸入捕捉功能（ICP1引腳）進(jìn)行精確的頻率測(cè)量。RC低通濾波：設(shè)濾波器的輸入電壓為ex輸出電壓為ey，電路的微分方程為：這是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)。令 =RC，稱為時(shí)間常數(shù)，對(duì)上式取拉氏變換，有：或其幅頻、相頻特性公式為： 分析可知，當(dāng)f很小時(shí)，A(f)=1，信號(hào)不受衰減的通過(guò)；當(dāng)f很大時(shí)，A(

6、f)=0，信號(hào)完全被阻擋，不能通過(guò)。RC高通濾波：設(shè)濾波器的輸入電壓為ex輸出電壓為ey，電路的微分方程為：同理可知，當(dāng)f很小時(shí)，A(f)=0，信號(hào)完全被阻擋，不能通過(guò)；當(dāng)f很大時(shí)，A(f)=1信號(hào)不受衰減的通過(guò)。2.5 濾波電路設(shè)計(jì)圖5 如圖所示，一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過(guò)，電容越小高頻越容易通過(guò)。2.6 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)圖6本設(shè)計(jì)涉及傳感器信號(hào)采集與信號(hào)放大，其中放大器等部分需要用到5V電源，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用了MAX3232的引腳2與引腳6分別輸出5.5V，并通過(guò)D4、D5穩(wěn)壓二極

7、管的反向擊穿特性，從而使VCC、VSS的電壓值分別為5.1V直流電壓，給模塊供電。同時(shí)，電池經(jīng)過(guò)10uF電解電容濾波，送到HT7533芯片的輸入端，進(jìn)行穩(wěn)壓，然后由HT7533芯片的輸出端輸出+3.3V直流電壓，再由10uF電解電容濾波，輸出比較穩(wěn)定的+3.3V直流電壓，給單片機(jī)模塊供電，同時(shí)MiniUSB接口對(duì)電池進(jìn)行充電。2.7 程序流程圖圖7主程序清單：/* KEY4X4.c*/#include #include #include KEY4x4.hunsigned char Key_Number=16;void Key_Init(void) PORTA &= 0X0F; DDRA |=

8、0XF0; PORTD |= 0XF0; DDRD &= 0X0F;unsigned char Key_Read_Value(void) unsigned char i,j; Key_Init(); if(PIND & 0XF0) = 0XF0) return 0; else delay_ms(120); if(PIND & 0XF0) = 0XF0) return 0; else for(i = 4;i 8;i+) PORTA &= 0X0F; PORTA |= (1i)|0x0f); for(j = 4;j 8;j+) if(PIND & (1 j) = 0) Key_Number = (

9、i - 4) * 4 + (j - 4); i=7;j=7; return 0; /* main.c*/#include #include #include LCD3310_configuration.h#include KEY4x4.h#include Functional_interface.h#include bmp_pixel.hunsigned char status=0;extern unsigned char Key_Number;void Init(void) PORTB |= 0X40; DDRB |= 0XBF; SPCR = 0x50;/Enable SPI，Master

10、，prescale:4; SPSR = 0X00; LCD_Init(); void main(void) signed char choose_num=0; Init(); while( !status ) LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Interface,84,48); Key_Read_Value(); if(Key_Number = 7) status = 1; LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_1,84,48); while(status = 1) Key_Number = 16; Key_Read_Value(); switch(Key_Number)

11、case 0x03: status=0;break; case 0x0b: if(-choose_num = -3) choose_num = 0; break; case 0x0f: if(+choose_num = 1) choose_num = -2; break; default : break; switch(choose_num) case 0: LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_1,84,48); if(Key_Number = 7) status = 2; LCD_Clear(); Frequency_Measurement(); /頻率測(cè)量子函數(shù) break; case -1: LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_2,84,48); if(Key_Number = 7) status = 3; LCD_Clear(); Voltage_Measurement(); /電壓測(cè)量子函數(shù) break; case -2: LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_3,84,48); if(Key_Number = 7) status = 4; LCD_Clear(); Calculator();