超聲波溫度場測量技術(shù)(高溫鍋爐)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上前言摘要：溫度場的檢測在許多研究領(lǐng)域及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等許多方面都具有十分重要的意義。然而，溫度場的測量又是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，傳統(tǒng)的溫度檢測方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足生產(chǎn)和生活的需要。作為一種新型的測溫方法，聲學(xué)方法具有快速、精確、測量范圍寬等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中能夠滿足溫度場精確測量和在線控制的需要，特別是在高溫和惡劣的測溫環(huán)境中，此方法更具有傳統(tǒng)方法所無法比擬的優(yōu)勢和特點(diǎn)。本文以實(shí)現(xiàn)超聲氣體溫度的快速、準(zhǔn)確測量為目的，在對國內(nèi)外瞬態(tài)氣體溫度測量研究現(xiàn)狀進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用超聲波進(jìn)行燃燒氣體溫度測量的方案。首先應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)知識，依據(jù)理想氣體狀

2、態(tài)方程建立超聲波測溫?cái)?shù)學(xué)模型?；跍y溫模型及設(shè)計(jì)思想和原則，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要包括超聲波發(fā)射接收部分、壓力測量部分、數(shù)據(jù)采集部分、單片機(jī)及上位PC機(jī)控制部分。超聲波發(fā)射接收部分主要完成超聲探頭的設(shè)計(jì)與安裝，并對所使用的壓電式超聲波傳感器的工作原理、分類和組成作了較詳細(xì)的介紹。壓力測量部分主要是進(jìn)行多晶硅高溫壓力傳感器的設(shè)計(jì)，主要包括傳感器靈敏度分析、芯片版圖設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)和性能測試幾個(gè)步驟；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測量快速性的需要，選用流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS800進(jìn)行壓力模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集部分主要是應(yīng)用數(shù)字移相技術(shù)，基于現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計(jì)高速計(jì)數(shù)系統(tǒng)，對超聲信號的渡越時(shí)間

3、進(jìn)行測量；同時(shí)，為了解決高速數(shù)據(jù)存儲的失誤問題，提出了二次鎖存方案。單片機(jī)及上位機(jī)，主要是完成系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，并能對測量結(jié)果進(jìn)行顯示、打印等。關(guān)鍵詞：超聲測溫；瞬態(tài)溫度；超聲波傳感器；溫度場重建Abstract：Temperature field of research and testing in many industrial and agricultural production and daily life and many aspects have very important significance. However, the temperature field of th

4、e measurement is a very complex problem, the traditional temperature detection method is not able to meet the needs of production and life. As a kind of new method, acoustic pyrometry is a rapid, accurate, wide measuring range, etc. In industrial production, scientific research can satisfy the preci

5、sion measuring temperature field and on-line control needs, especially in high temperature and poor environment, this method is more traditional methods and incomparable advantages and characteristics.Based on the realization of ultrasonic gas temperature measurement quickly and accurately, for the

6、purpose of domestic and foreign, the transient gas temperature measurement research status on the basis of further research, puts forward the application of ultrasonic on combustion gas temperature measurement solutions.Firstly, according to the application of aerodynamics knowledge of ultrasonic es

7、tablishment of the state equation of ideal gas temperature mathematical model. Based on the temperature measurement model and design ideas and principles, the overall design. The system includes ultrasound receiving part, pressure measurement, data acquisition, SCM and PC control section. Ultrasound

8、 receiving part of main design and installation of ultrasonic probe, and by use of the piezoelectric ultrasonic sensors, classification and the working principle of the composition of the detailed introduction. Pressure measurement part is mainly high pressure sensor polysilicon, mainly including th

9、e design of the sensor sensitivity analysis, chip layout design, manufacture, process design and performance test of several steps, At the same time, in order to realize the system of measuring speed, choose pipeline adc ADS800 pressure of the analog signal digital conversion. Data acquisition part

10、is mainly used in digital technology, based on field programmable gates array of high-speed counting system, the design of ultrasonic signal measured the cross time, At the same time, in order to solve the problem of high speed data storage turnovers, puts forward second latch scheme. SCM and PC, ma

11、inly is the complete system of monitoring and data processing, and the measurement results to show, printing, etc.Keywords: Ultrasound temperature measurement, The transient temperature, Ultrasonic sensors, Temperature field目錄專心-專注-專業(yè)第一章 緒論1.1選題背景大型火力發(fā)電廠的燃煤鍋爐中，溫度場分布(不是點(diǎn)溫度)是確定設(shè)備狀態(tài)的重要參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)火焰燃燒控制系統(tǒng)的自

12、動(dòng)化運(yùn)行，我們必須選取一個(gè)乃至數(shù)個(gè)能夠表征燃燒過程的具有可操作性的物理參數(shù)，用來及時(shí)反映燃燒設(shè)備的運(yùn)行工況，為運(yùn)行人員提供操作依據(jù)，并為熱工自動(dòng)化裝置準(zhǔn)確及時(shí)地提供反饋信號，以便深入研究及全面描述設(shè)備內(nèi)熱量及能量傳遞過程。爐內(nèi)溫度場的分布直接影響到煤粉的著火、燃盡以及鍋爐的安全性，對于鍋爐控制和診斷具有極為重要的意義，它是反映燃燒過程的重要參數(shù)。由于燃燒工況組織不合理造成的燃燒不均勻、火焰中心偏斜、火焰刷墻等是導(dǎo)致爐膛結(jié)焦、爐膛滅火、爐膛爆炸等運(yùn)行事故的重要原因。另外，電站鍋爐燃燒過程中具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流、設(shè)備龐大、環(huán)境惡劣等特征，給有關(guān)熱物理量場參數(shù)的在線測量帶來困難，難以獲得描述實(shí)際燃

13、燒過程的熱物理量參數(shù)，特別是溫度分布的測量很困難，導(dǎo)致燃燒調(diào)整得不到可靠的數(shù)據(jù)，燃燒優(yōu)化運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn)。此外，燃燒的好壞反映出熱效率的高低以及對環(huán)境污染的影響，所以為了保障鍋爐安全運(yùn)行、提高燃燒效率、節(jié)約能源、防止公害，需要準(zhǔn)確有效的對爐膛溫度場進(jìn)行監(jiān)測，并及時(shí)加以調(diào)節(jié)和控制。爐膛的溫度分布能夠快速反映爐內(nèi)過程的變化情況。由于我國電廠用煤的不穩(wěn)定性，燃料入爐量以及配風(fēng)的自發(fā)擾動(dòng)，通過燃料在爐內(nèi)燃燒時(shí)釋放出能量和熱交換過程，迅速反映為溫度信息。采用爐內(nèi)溫度場參數(shù)作為控制參量將會比目前以汽壓變化作為鍋爐入爐燃料的控制參量有較強(qiáng)的優(yōu)越性。因此，在工程應(yīng)用方面，尋找一種簡便、快捷的方法進(jìn)行溫度場的測量顯

14、得尤為重要，這對提高燃燒效率及鍋爐的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、爐子熱工過程的?；敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、尋求最佳熱制度及最優(yōu)控制策略，降低金屬燒損率及減小環(huán)境污染等方面都有重要意義。而實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)在線測量更是使設(shè)備時(shí)刻都處于最佳狀態(tài)下運(yùn)行的重要前提。1.2設(shè)計(jì)目的當(dāng)前，燃燒溫度的測量方法有兩大類：非接觸測溫法和接觸式測溫法。非接觸測溫法的特點(diǎn)是敏感元件和被測介質(zhì)不接觸，對燃燒流場不產(chǎn)生干擾，可測量溫度場分布。接觸法測溫特點(diǎn)是測溫敏感元件和被測介質(zhì)直接接觸，對燃燒流場有干擾，存在各種熱損失，化學(xué)反應(yīng)氣體會發(fā)生相互作用，對敏感元件的使用壽命有較大的影響。接觸法測溫中最常用的方法是熱電偶法。國

15、外一些研究人員曾用微型熱電偶測量過固體推進(jìn)劑燃燒表面的溫度，但迄今為止，還未發(fā)表過在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)使用熱電偶直接測量燃?xì)鉁囟鹊恼撐幕驁?bào)道。本設(shè)計(jì)正是基于此，提出了一種基于超聲技術(shù)的燃燒氣體溫度測量的方法，希望在此研究基礎(chǔ)上，就可以帶動(dòng)我國航空航天事業(yè)和汽車工業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)研究的發(fā)展。 1.3 設(shè)計(jì)的意義爐內(nèi)溫度場的分布直接影響到煤粉的著火、燃盡以及鍋爐的安全性，對于鍋爐控制和診斷具有極為重要的意義，它是反映燃燒過程的重要參數(shù)。由于燃燒工況組織不合理造成的燃燒不均勻、火焰中心偏斜、火焰刷墻等是導(dǎo)致爐膛結(jié)焦、爐膛滅火、爐膛爆炸等運(yùn)行事故的重要原因。另外，電站鍋爐燃燒過程中具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流、設(shè)

16、備龐大、環(huán)境惡劣等特征，給有關(guān)熱物理量場參數(shù)的在線測量帶來困難，難以獲得描述實(shí)際燃燒過程的熱物理量參數(shù)，特別是溫度分布的測量很困難，導(dǎo)致燃燒調(diào)整得不到可靠的數(shù)據(jù)，燃燒優(yōu)化運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn)。此外，燃燒的好壞反映出熱效率的高低以及對環(huán)境污染的影響，所以為了保障鍋爐安全運(yùn)行、提高燃燒效率、節(jié)約能源、防止公害，需要準(zhǔn)確有效的對爐膛溫度場進(jìn)行監(jiān)測，并及時(shí)加以調(diào)節(jié)和控制。爐膛的溫度分布能夠快速反映爐內(nèi)過程的變化情況。由于我國電廠用煤的不穩(wěn)定性，燃料入爐量以及配風(fēng)的自發(fā)擾動(dòng)，通過料在爐內(nèi)燃燒時(shí)釋放出能量和熱交換過程，迅速反映為溫度信息。采用爐內(nèi)溫度場參數(shù)作為控制參量將會比目前以汽壓變化作為鍋爐入爐燃料的控制量有

17、較強(qiáng)的優(yōu)越性。因此，在工程應(yīng)用方面，尋找一種簡便、快捷的方法進(jìn)行溫度場的測量顯得尤為重要，這對提高燃燒效率及鍋爐的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、爐子熱工過程的?；敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、尋求最佳熱制度及最優(yōu)控制策略，降低金屬燒損率及減小環(huán)境污染等方面都有重要意義。而實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)在線測量更是使設(shè)備時(shí)刻都處于最佳狀態(tài)下運(yùn)行的重要前提。1.4目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀超聲波是指頻率在 20kHz106kHz的機(jī)械波,波速一般為 1500m/s,波長為 0.01cm10cm。超聲波的波長遠(yuǎn)大于分子尺寸 ,說明超聲波本身不能直接對分子起作用 ,而是通過周圍環(huán)境的物理作用影響分子 ,所以超聲波的作用與其作用的

18、環(huán)境密切相關(guān)。超聲波既是一種波動(dòng)形式 ,又是一種能量形式 ,在傳播過程中與媒介相互作用產(chǎn)生超聲效應(yīng)。超聲波與媒介相互作用可分為機(jī)械作用、空化作用和熱作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域相互滲透 ,使超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、化工、醫(yī)學(xué)、石油化工等許多領(lǐng)域。超聲波作為一種特殊的能量輸入方式 ,所具有的高效能在材料化學(xué)中起到光、電、熱方法所無法達(dá)到的作用 。僅從超聲波在液體中釋放的巨大能量來說就是其他方法所望塵莫及的 ,更不用說超聲波定量控制的效果了。近年來 ,隨著超聲波技術(shù)的日益發(fā)展與成熟 ,其在新材料合成、化學(xué)反應(yīng)、傳遞過程的強(qiáng)化以及廢水處理等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用 。在材料合成中 ,尤其

19、是納米材料的制備中 ,超聲波技術(shù)有著極大的潛力。通過超聲波方法制備納米材料 ,達(dá)到了目前我們采用激光、紫外線照射和熱電作用所無法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) ,具有很好的前景由于聲學(xué)的非接觸式測量這一巨大優(yōu)勢的吸引，國際上對于爐內(nèi)聲學(xué)測溫技術(shù)的研究方興未艾，尤其在美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家引起大量研究機(jī)構(gòu)和電力企業(yè)的關(guān)注。同時(shí)，由于巨大的市場和經(jīng)濟(jì)潛力導(dǎo)致商業(yè)化過快，一定程度上產(chǎn)品化超前于理論研究。雖然從上世紀(jì)80年代早期到本世紀(jì)初的二十年左右的時(shí)間中，聲學(xué)測溫產(chǎn)品在國外得到一定的應(yīng)用，但由于技術(shù)上缺乏深入的理論研究，仍然存在著一些問題。例如電站鍋爐中非均勻溫度場、多相流動(dòng)介質(zhì)等對聲波傳播特性的影響，強(qiáng)爐膛背景噪聲下

20、聲波時(shí)間延遲估計(jì)誤差較大，數(shù)字信號的采集、濾波等處理和分析過于簡單，基于少量投影數(shù)據(jù)的溫度場重建精度不高等。相對國外，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和人員較少，起步較晚，僅華北電力大學(xué)和東北大學(xué)兩家單位長期從事相關(guān)研究，取得了一定進(jìn)展49-52。而國內(nèi)電力企業(yè)對該項(xiàng)技術(shù)的重視程度不夠，相關(guān)的投資和合作較少。因此應(yīng)當(dāng)針對電站鍋爐中聲波的傳播特性、數(shù)據(jù)采集、信號處理和重建算法展開更深入的研究，為該項(xiàng)技術(shù)在我國的早日應(yīng)用打下基礎(chǔ)。1.5超聲波的特性及作用原理與可聞波相比 ,超聲波由于頻率高、波長短 ,在傳播過程中具有許多特性:a、方向性好。由于超聲波的功率高 ,其波長較同樣介質(zhì)中的聲波波長短得多 ,衍射現(xiàn)象不明顯

21、,所以超聲波的傳播方向好。b、能量大。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ,當(dāng)振幅相同時(shí) ,振動(dòng)頻率越高能量越大。因此 ,它比普通聲波具有大得多的能量。c、穿透能力強(qiáng)。超聲波雖然在氣體中衰減很強(qiáng) ,但在固體和液體中衰減較弱。在不透明的固體中 ,超聲波能夠穿透幾十米的厚度 ,所以超聲波在固體和液體中應(yīng)用較廣。d、引起空化作用。在液體中傳播時(shí) ,超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動(dòng)波 ,液體時(shí)而受拉時(shí)而逐級壓 ,產(chǎn)生近于真空或含少量氣體的空穴。在聲波壓縮階段 ,空穴被壓縮直至·崩潰。在空穴崩潰時(shí)產(chǎn)生放電和發(fā)光現(xiàn)象 ,這種現(xiàn)象稱為空化作用。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械以及材料為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。目前

22、,超聲技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到社會生活的各個(gè)領(lǐng)域。超聲技術(shù)是通過聲波的產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的 ,它的應(yīng)用研究正是結(jié)合超聲波之獨(dú)有特性而展開的。1.6 發(fā)展優(yōu)勢 目前，工業(yè)上用于高溫測量的儀表主要是熱電偶和輻射式溫度計(jì)。熱電偶屬于接觸式測量儀表，與被測介質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換是它能準(zhǔn)確測量的前提。由于氣體的比熱很小，這樣當(dāng)熱電偶用于氣體溫度測量時(shí)便產(chǎn)生了兩個(gè)問題：換熱時(shí)間長，系統(tǒng)響應(yīng)慢；由于熱電偶的吸熱，造成測量點(diǎn)附近溫度場的變化。所以熱電偶所測得的溫度并不是被測點(diǎn)的真實(shí)氣體溫度。由此可見，熱電偶不適于高溫氣體溫度的測量，更不能進(jìn)行溫度場的測量。輻射式溫度計(jì)屬于非接觸式測溫儀表，它不會對測量

23、點(diǎn)附近的溫度場產(chǎn)生影響。但是，它易受到工業(yè)環(huán)境的干擾，這些干擾包括光路中的干擾，外來光的干擾和發(fā)射率變化的干擾等。而這些干擾在工業(yè)爐中是難以避免的，因此輻射式溫度計(jì)盡管在理論上可以達(dá)到很高的測量精度，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻存在著很大的測量誤差，甚至根本不能應(yīng)用。聲學(xué)測量作為一種非接觸式的測量方法，能夠發(fā)送大量信息而且投入較低。聲學(xué)法溫度檢測技術(shù)具有溫度測量精度高、非接觸式、測量范圍廣（零下3000）、測量對象空間范圍大、實(shí)時(shí)連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)，對溫度場的測量具有重大的實(shí)用價(jià)值。該測量裝置安裝簡單、操作方便；設(shè)備投資成本較低；能夠得到大量的實(shí)時(shí)息，具有工程應(yīng)用的潛力和較大的實(shí)用價(jià)值。此外，該系統(tǒng)在實(shí)際使用的

24、過程中穩(wěn)定可靠，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中溫度場精確測量和在線控制的需要，特別是在高溫和惡劣的測溫環(huán)境中。從聲學(xué)法工業(yè)爐溫度測量技術(shù)目前在國內(nèi)外的應(yīng)用及發(fā)展來看，該測量方法無疑具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。第二章 方案論證 聲波是機(jī)械波，是振動(dòng)在連續(xù)介質(zhì)中的傳播。測溫原理正是建立在聲波波動(dòng)理論和熱力學(xué)理論基礎(chǔ)之上的。本章基于聲波波動(dòng)方程和聲速方程的推導(dǎo)建立聲速與媒質(zhì)溫度之間的關(guān)系。另外，由于鍋爐內(nèi)在梯度溫度場，必須考慮聲波在非均勻溫度場中的傳播特性。而且，由于爐膛內(nèi)是一個(gè)氣體、煤粉、燃燒產(chǎn)物等共存的氣固兩相流動(dòng)介質(zhì)，還需要考慮到聲波在多相流動(dòng)介質(zhì)中的傳播特性?；谇懊娴姆治?，對聲學(xué)測溫所可能產(chǎn)生的

25、測量誤差進(jìn)行了分析。最后，我們所要研究的對象是一個(gè)大尺寸的鍋爐爐膛。2.1超聲波的定義波是由某一點(diǎn)開始的擾動(dòng)所引起的，并按預(yù)定的方式傳播或傳輸?shù)狡渌c(diǎn)上。聲波是一種彈性機(jī)械波。人們所感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動(dòng)的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機(jī)械波頻率在20Hz一20KHz，超聲波是頻率大于20KHz的機(jī)械波4。在超聲波測距系統(tǒng)中，用脈沖激勵(lì)超聲波探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)在與其接觸的介質(zhì)中傳播，便形成了超聲波。2.2溫度的超聲測量超聲測溫是一種新的測溫技術(shù)，日益受到重視和采用。例如：在低溫測量方面，已把超聲測溫計(jì)作為220K溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)計(jì)溫方法；在高溫或高壓氣體測溫方

26、面，超聲溫度計(jì)具有反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，已經(jīng)用來對汽輪機(jī)進(jìn)氣、火箭排氣和氣缸中燃燒氣體等高達(dá)2000左右的溫度進(jìn)行測量，甚至對高達(dá)17000熱核等離子區(qū)的溫度進(jìn)行測量；在氣壓低達(dá)0.0001 atm的高空，使用超聲測溫，便于遙測又不受輻射熱的影響；在熔融液（如鋼水）中可在幾百度到兩千度內(nèi)進(jìn)行不接觸的超聲測溫；此外，還可以在海水、快速反應(yīng)堆中用超聲進(jìn)行溫度精確的測量。超聲測溫大多數(shù)是以氣、液、固三態(tài)介質(zhì)中溫度和聲速的相關(guān)性為理論基礎(chǔ)的。理想氣體的聲速與絕對溫度的平方根成正比，許多固體和液體的聲速一般隨溫度增高而降低。氣體的聲速變化率在低溫時(shí)最大，大多數(shù)液體的聲速變化率基本上不隨溫度而變，固體則在高溫時(shí)

27、聲速變化率最大。在實(shí)際測試中，根據(jù)測試介質(zhì)的不同、環(huán)境條件的不同以及測溫范圍的不同，發(fā)展了一些具體的超聲溫度計(jì)。比如超聲氣溫計(jì)、測量低溫的電聲氣體溫度計(jì)和干涉儀式超聲溫度計(jì)、石英溫度計(jì)、細(xì)線敏感元件的超聲溫度計(jì)等。2.4聲學(xué)測溫的典型裝置介紹在使用聲學(xué)方法來進(jìn)行溫度測量時(shí)，聲波要在放入被測介質(zhì)中的另外一種材料中傳播，這種材料是一種敏感材料，可以是另外一種氣體，也可以是石英晶體或者金屬絲等。使用這種方法，可以獲得某點(diǎn)處的溫度值。一種以另一種氣體介質(zhì)為敏感材料的聲學(xué)測溫裝置的原理圖如圖2-1所示。以氣體介質(zhì)作為敏感材料時(shí)，將其裝進(jìn)一個(gè)導(dǎo)熱良好的薄壁管中，該氣體能很快地與被測氣體達(dá)到熱平衡。在管的一

28、端安裝一只揚(yáng)聲器，另一端裝一只接收器，測出聲脈沖在管中的傳播速度，便可求出被測氣體介質(zhì)的溫度。在這種方法中，為使測量誤差盡可能小，應(yīng)采用分子量大的稀有氣體作為測量氣體，目前多選用氬。另一種常見的是用金屬絲作敏感元件，主要由傳感器、緩沖器、敏感元件和電子設(shè)備等四部分組成。美國新墨西哥州阿爾布開克市的圣迪亞國立實(shí)驗(yàn)室研制的一種由焊接敷釷鎢導(dǎo)線的磁限制鐵鈷元件組成的超聲波溫度計(jì)，就是這樣的一種溫度計(jì)。圖2-1 聲學(xué)測溫裝置原理圖2.5溫度場聲學(xué)測量方法的工作原理在第2.3節(jié)中已經(jīng)介紹了聲學(xué)測溫的基本原理，即：聲波在氣體中的傳播速度是介質(zhì)溫度的單值函數(shù)13,29，國外學(xué)者則稱這種方法為Acoustic

29、 travel time tomography。目前所見到的測量系統(tǒng)和裝置多應(yīng)用于氣體介質(zhì)中，即聲波直接在需測溫度的氣體中傳播。它是一種溫度場的直接測量方法。在理想氣體介質(zhì)中，聲速與介質(zhì)絕對溫度的平方根成正比，即滿足式（2-8）。聲波直接在被測氣體介質(zhì)中傳播，要將用以發(fā)射和接收聲波的傳感器置于未知溫度的區(qū)域中，在聲波發(fā)射和接收裝置之間形成一條聲學(xué)路徑。由于兩點(diǎn)之間的距離為已知的固定常數(shù)d，而聲波在該條路徑上的傳播時(shí)間（travel time）是可以測量的，這樣就可以得到聲波在該條聲學(xué)路徑上的平均速度：c =d/。已知聲速與介質(zhì)的絕對溫度之間的關(guān)系滿足關(guān)系式，因此在獲得一條聲波路徑上的平均速度c

30、之后，就可以求出該路徑上介質(zhì)的平均溫度。在待測溫度區(qū)域的斷面四周安裝若干個(gè)聲波發(fā)射/接收傳感器，形成多條聲學(xué)路徑，同時(shí)將溫度場進(jìn)行合理的劃分，測出每條路徑上的聲波平均傳播時(shí)間，經(jīng)重建算法，便可以得到該斷面上溫度場的分布情況。一種傳感器的典型布設(shè)及溫度場的劃分方式如圖2-2及 圖2-3所示。在圖中，將該斷面上的溫度場平均分為16個(gè)小區(qū)域，在斷面的四周安裝了8個(gè)聲波發(fā)射/接收傳感器，這樣，共形成了24條獨(dú)立的聲發(fā)射-接收路徑（除去本身及同側(cè)的接收單元）。按照設(shè)定的程序，在一個(gè)檢測周期內(nèi)順序啟閉各個(gè)聲波發(fā)射/接收傳感器，得到一組聲波傳播時(shí)間值，經(jīng)一次重建算法，便可以重建出溫度場斷面上的溫度分布以及某

31、一條聲波路徑上介質(zhì)的平均溫度和某一區(qū)域介質(zhì)中的平均溫度等。圖 2-2 測量區(qū)域?qū)嶋H分塊圖圖2-3 傳感器空間分布及測量區(qū)域分塊圖2.5.1溫度場重建原理及逆問題正則化解 如圖2-3 所示 ,要實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)某一“典型層面”二溫度場的重建 ,必須用若干個(gè)處于同一“典型層”的聲波發(fā)射/接受器進(jìn)行 ,本設(shè)計(jì)中在被測溫度1場的四周每邊設(shè)置 2 只聲波發(fā)射/接收器 ,任何一只聲波發(fā)射器發(fā)射信號皆被其他聲波接收器所接(收 ,則共有 24 條獨(dú)立聲波路徑 ,聲波沿第 k（ k =124）條聲波路徑的飛行時(shí)間t可表示為t=+n ·(1)式中, f(x,y)為爐內(nèi)氣體介質(zhì)中聲波速度的倒數(shù),s/ m; l為線

32、積分路徑,m; n 為系統(tǒng)噪聲。聲波發(fā)射/ 接收器安裝位置確定,兩聲波接收器之間的距離 L 及聲波飛行路徑確定,而聲波飛行時(shí)間t 可通過實(shí)際測量得到,根據(jù) L 和 t 便可求出聲波沿聲波路徑的平均速度及f（x,y）,則重建溫度場為T(x,y)=1/f(x,y)Z·(2)式中,對煙道混合氣體, Z =19108·設(shè) f(x,y) 是關(guān)于 x 軸和 y 軸對稱,且周期分別為 2L和 2L的周期函數(shù),則可展開成僅含余弦項(xiàng)的二維傅里葉系列f(x,y)=cos(iu)cos(j)(3)式中,u=x/L,=y/L.式(1)可表示為t=cos(iu)cos(j)dl+ n=h+ n(4)

33、式中,h=u)cos(jv)dl(5)以矢量形式表示式:t = Ha + n (6)式中,H是NN的觀測矩陣, N是聲波飛行時(shí)間測量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(投影數(shù)據(jù)), N由級數(shù)展開項(xiàng)數(shù)決定,一般取i+jN式的最小二乘解為a=Ht=(HH)Ht (7)式中, H為矩陣H的廣義逆矩陣,由于逆問題的不適定性,式 (7)所給出的最小二乘解對聲波飛行時(shí)間測量誤差很敏感,不是穩(wěn)定解,克服這種數(shù)值不穩(wěn)定的有效方法是正則化,其實(shí)質(zhì)就是在求解過程中將測量數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識綜合在一起考慮,它可解釋為對測量數(shù)據(jù)的置信度和對先驗(yàn)知識置信度之間的某種折中 火焰的顯著特點(diǎn)是“內(nèi)部溫度分布平滑” ,這種平滑過渡的特性,提供了一個(gè)先驗(yàn)知識

34、在構(gòu)造約束代價(jià)泛函時(shí),加入適當(dāng)?shù)募s束條件,用 Q 表示先驗(yàn)知識矩陣 平滑矩陣。2.5.2正則化方法與迭代技術(shù)相結(jié)合的溫度場重建在不考慮噪聲的條件下,測量系統(tǒng)正問題模型t=H聲波飛行時(shí)間測量值t和計(jì)算值t的偏差=t- H (8)對應(yīng)a的偏差=R (9)對初始a進(jìn)行修正得a=a+a=a+R (10)式中, 為優(yōu)化修正因子,可通過優(yōu)化的方法確定。假定選定,聲波飛行時(shí)間測量值 t 和 a 修正后的聲波飛行時(shí)間計(jì)算值t之差=t- H=-RH (11)式(11)表明,修正后a中的每個(gè)值是所有投影數(shù)據(jù)誤差的修正結(jié)果,而不是僅與一個(gè)投影數(shù)據(jù)有關(guān) 整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程是在正則化方法求出初始。a 的基礎(chǔ)上增加了一步迭

35、代優(yōu)化修正過程 因此重建速度與傅里葉正則算法相近 求出后,代入式 (3)可求出速度場 f(x,y) ,由式(3)便可重建溫度場 T(x,y)。2.6溫度場聲學(xué)測量方法的系統(tǒng)組成溫度場的聲學(xué)測量系統(tǒng)主要由聲波發(fā)射/接收單元（Transmitter/Receiver）、處理控制單元（PCU）、計(jì)算機(jī)存儲、處理、顯示單元以及相應(yīng)的軟件等組成，如圖2-4所示。圖2-4 系統(tǒng)硬件組成示意圖圖 2-5 硬件原理框圖聲發(fā)射/接收單元是系統(tǒng)的主要部件，它安裝在需要測量的溫度場區(qū)域的四周，具有聲發(fā)生、發(fā)射和接收功能，通常組成一個(gè)單元設(shè)置，用來發(fā)射本單元的聲信號或接收其它單元發(fā)出的聲信號。處理控制單元是一個(gè)專用的

36、微處理機(jī)系統(tǒng)，由微處理器、存儲器（ROM）、可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）、模擬量輸入、輸出接口（AI/AO）、串行口（RS422）等組成，提供聲波傳播時(shí)間采集控制、存儲，計(jì)算相應(yīng)的路徑平均溫度值，I/O，各種參數(shù)設(shè)定等功能。計(jì)算機(jī)存儲、處理、顯示單元可在WINDOWS平臺上處理PCU經(jīng)RS422接口輸入的溫度陣列數(shù)據(jù)，并按使用要求以數(shù)據(jù)或圖形方式顯示斷面實(shí)時(shí)二維溫度分布、用戶定義區(qū)域內(nèi)氣體的平均溫度、路徑上氣體平均溫度以及聲波路徑上溫度的變化趨勢。2.7典型產(chǎn)品介紹 經(jīng)過十幾年的不斷研究和發(fā)展，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種聲學(xué)測溫產(chǎn)品，而這其中尤以美國SEI公司開發(fā)和研制的名為BOILER

37、 WATCH的聲學(xué)高溫測量儀產(chǎn)品最具有代表性。下面對該產(chǎn)品做一簡要的介紹。BOILERWATCHMMP II聲學(xué)高溫測量儀是一個(gè)先進(jìn)的鍋爐和加熱爐燃燒氣體溫度自動(dòng)測量系統(tǒng)，能夠提供連續(xù)的、準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的、非侵入的、全自動(dòng)的燃燒或熱加工氣體溫度的測量，它是一套完整的測量系統(tǒng)。BOILERWATCHMMP II聲學(xué)高溫測量儀能夠測量一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)立陣列內(nèi)高達(dá)24路的氣體平均溫度并給出氣體的空間平面溫度分布。測量范圍從0到1927，提供每通道5秒測量、串行輸出、以太網(wǎng)設(shè)置、輸出420mA模擬信號與輸出接口RS232/422，并且配置靈活、易于安裝和啟動(dòng)、斷電后可自動(dòng)恢復(fù)電源，具有很好的性價(jià)比。該系統(tǒng)可

38、應(yīng)用于有機(jī)物過程加熱器、化石燃料電廠鍋爐、工業(yè)鍋爐、化學(xué)回收裝置、垃圾發(fā)電、垃圾焚燒爐、工業(yè)爐窯過程監(jiān)視和控制、最低溫度從量以及一些其他的工業(yè)熱工程等。聲波氣體溫度測量系統(tǒng)的TMS-2000軟件功能十分強(qiáng)大，能夠提供令人震撼的視覺信息，包括在線的和歷史數(shù)據(jù)，提供工業(yè)爐內(nèi)或燃燒過程的氣體溫度以及分布狀態(tài)。通過TMS-2000讓用戶能簡單和快捷地得到空間溫度分布資料、獨(dú)立通道上的溫度、溫度變化趨勢以及用戶自定義區(qū)域平均氣體溫度等。這些溫度數(shù)據(jù)能夠被送到工廠的分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems，DCS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisition System，

39、ADS），并能夠在計(jì)算機(jī)中顯示或儲存。2.8溫度場聲學(xué)測量方法的優(yōu)勢 目前，工業(yè)上用于高溫測量的儀表主要是熱電偶和輻射式溫度計(jì)。熱電偶屬于接觸式測量儀表，與被測介質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換是它能準(zhǔn)確測量的前提。由于氣體的比熱很小，這樣當(dāng)熱電偶用于氣體溫度測量時(shí)便產(chǎn)生了兩個(gè)問題：換熱時(shí)間長，系統(tǒng)響應(yīng)慢；由于熱電偶的吸熱，造成測量點(diǎn)附近溫度場的變化。所以熱電偶所測得的溫度并不是被測點(diǎn)的真實(shí)氣體溫度33。由此可見，熱電偶不適于高溫氣體溫度的測量，更不能進(jìn)行溫度場的測量。輻射式溫度計(jì)屬于非接觸式測溫儀表，它不會對測量點(diǎn)附近的溫度場產(chǎn)生影響。但是，它易受到工業(yè)環(huán)境的干擾，這些干擾包括光路中的干擾，外來光的干擾和

40、發(fā)射率變化的干擾等。而這些干擾在工業(yè)爐中是難以避免的，因此輻射式溫度計(jì)盡管在理論上可以達(dá)到很高的測量精度，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻存在著很大的測量誤差，甚至根本不能應(yīng)用。聲學(xué)測量作為一種非接觸式的測量方法，能夠發(fā)送大量信息而且投入較低。聲學(xué)法溫度檢測技術(shù)具有溫度測量精度高、非接觸式、測量范圍廣（零下3000）、測量對象空間范圍大、實(shí)時(shí)連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)，對溫度場的測量具有重大的實(shí)用價(jià)值。該測量裝置安裝簡單、操作方便；設(shè)備投資成本較低；能夠得到大量的實(shí)時(shí)信息，具有工程應(yīng)用的潛力和較大的實(shí)用價(jià)值。此外，該系統(tǒng)在實(shí)際使用的過程中穩(wěn)定可靠，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中溫度場精確測量和在線控制的需要，特別是在高溫和惡

41、劣的測溫環(huán)境中。從聲學(xué)法工業(yè)爐溫度測量技術(shù)目前在國內(nèi)外的應(yīng)用及發(fā)展來看，該測量方法無疑具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。2.9 本章小結(jié) 本章首先介紹了聲學(xué)測溫的基本原理，即聲波傳播速度是氣體介質(zhì)溫度的單值函數(shù)，而后論述了溫度場聲學(xué)測量方法的工作原理及系統(tǒng)組成，這是實(shí)現(xiàn)溫度場聲學(xué)重建的基礎(chǔ)。在本章的最后，闡述了聲學(xué)溫度場測量方法的優(yōu)勢。第三章 系統(tǒng)局部硬件電路設(shè)計(jì)本文主要采用單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的超聲波測距方案，整個(gè)系統(tǒng)由超聲波收發(fā)單元、波形校準(zhǔn)單元、溫度測量單元、顯示單元和控制單元5個(gè)單元組成。其中，超聲波收發(fā)單元主要實(shí)現(xiàn)超聲波的接發(fā)送和接收；信號處理單元主要實(shí)現(xiàn)去除干擾、波形整形、鎖相環(huán)等功能，

42、便于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)；溫度測量單元主要測量外界溫度，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；顯示單元實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示；單片機(jī)為控制單元，完成指令發(fā)送，接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算等任務(wù)。3.1 STC12C單片機(jī)STC12系列單片機(jī)是美國STC公司在8051單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大改進(jìn)后推出的一個(gè)增強(qiáng)型功能的8051的單片機(jī)，具有很多很強(qiáng)的新功能。STC12系列是從引腳到內(nèi)核及指令上都完全兼容8051的單片機(jī);有32腳PLCC(27個(gè)I/0口)，28腳DIR(23個(gè)l/0口)，20腳DIP(15個(gè)!/0口)，三種封裝形式，在芯片型號命名上;12代表工作頻率是普通8051速度的8一12倍:C代表工作電壓5.5V

43、一3.8V，LE代表24V一3.8V，LV代表2一3.8V:54代表RAM是512字節(jié).PCA/PWM是4路;12代表程序空間大小是12K;AO表示有A/D轉(zhuǎn)換功能。3.1.1時(shí)鐘電路計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍的進(jìn)行的，這個(gè)脈沖是由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號的時(shí)間順序。為了保證各部件間的同步工作。單片機(jī)內(nèi)部電路就在惟一的時(shí)鐘信號控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。要給單片機(jī)提供時(shí)序要有相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。因此選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式。利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)

44、定的自激振蕩器，在實(shí)際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定?？煽康毓ぷ?，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。3.1.2復(fù)位電路由圖可以看出，是按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過電阻與Vcc電源接通。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來實(shí)現(xiàn)。3.13 選用優(yōu)點(diǎn) STC12C5A60S2單片機(jī)加密性強(qiáng),無法解密;超強(qiáng)抗干擾;速度快,1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期,可用低頻晶振,大幅降低EM

45、I;輸入/輸出口多,最多由44個(gè)I/O口,A/D做按鍵掃描還可以節(jié)省很多I/O;在系統(tǒng)編程,無需編程器,無需仿真器,可遠(yuǎn)程升級;內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,原復(fù)位電路可以保留,也可以不用,不用時(shí)RESET腳接1K電阻到地。圖3-1 STC12C5A60S2單片機(jī)3.2超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路由LM324AD構(gòu)成的三級功率放大和超聲波發(fā)射頭組成。圖3-2 超聲波發(fā)射電路3.2.1 LM324AD LM324AD是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝,它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。 由于LM324AD四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，

46、可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。3.2.2超聲波傳感器從圖3-2超聲波的發(fā)射電路上看還有一個(gè)超聲波傳感器。它具有把電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號，同時(shí)又能把機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能。在設(shè)計(jì)中選擇了壓電式超聲波發(fā)聲器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板

47、振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。本文所采用的超聲波傳感器是T/R-40-16（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）壓電晶片電極共振板圖3-3 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)3.3超聲波接收電路超聲波接收電路由LT1920和放大器CX20106A組成圖3-4 超聲波接收電路LT1920為低功耗,放大倍數(shù)為1-10000倍。CX20106A紅外線遙控接收前置放大電路，多適用于電視機(jī)。內(nèi)部電路由前置放大器，自動(dòng)偏置電平控制電路（ABLC）、限幅放大器、帶

48、通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。CX20106A是CX20106的改進(jìn)型，二者之間的主要差別在于電參數(shù)略有不同。CX20106A也有不少用于超聲波測試。圖3-5 CX20106A內(nèi)部方框圖CX20106A的引腳注釋：l腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7，C=3.3F。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容

49、，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3F。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時(shí)，fn42kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號時(shí)該端輸出為高電平，有信號時(shí)則會下降

50、。8腳： 電源正極，4.5V5V.3.4電源電路的設(shè)計(jì)圖3-6 220V轉(zhuǎn)+5V AC-DC圖 3-7 +5V轉(zhuǎn)-5V3.5 LCD液晶顯示部分結(jié)構(gòu)在顯示模塊中，選擇了OCMJ4X8C型圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。通過硬件電路和軟件結(jié)合使得在液晶中顯示如圖3-8所示。OCMJ4X8C一共有有20個(gè)引腳，包括數(shù)據(jù)引腳，控制引腳和電源引腳，硬件電路非常簡單。強(qiáng)大的功能主要是通過軟件實(shí)現(xiàn)。 LCD OCMJ4X8C超聲波測距儀 當(dāng)前溫度00度當(dāng)前距離：00米圖3-8 LCD顯示屏3.5.1 LCD的參數(shù)和性能及引腳介紹OCMJ4X8C是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器/ 列驅(qū)動(dòng)器及128&

51、#215;64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成.可完成圖形顯示,也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字.LCD顯示器是把LCD顯示屏和控制模塊結(jié)合在一起組成一個(gè)的整體。主要技術(shù)參數(shù)和性能:Ø 電源:VDD:+5V；LCD外接驅(qū)動(dòng)電壓為 -3.0-8.0V Ø 顯示內(nèi)容:128(列)×64(行)點(diǎn)Ø 全屏幕點(diǎn)陣Ø 七種指令Ø 與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線.Ø 占空比1/64Ø 工作溫度:-10 +60 ,存儲溫度: -20 +70顯示器模塊的外部接口是通過它的外接引腳，由外部對其進(jìn)行

52、讀寫操作共同形成的。外部引腳提供了接口的通道，而外部單片機(jī)對模塊的讀寫操作則執(zhí)行了單片機(jī)的模塊之間的信息交流，也就是顯示內(nèi)容的交流.JM12864J一共有20個(gè)引腳，外部引腳編號為120。外接引腳編號、符號及其含義如表2所示。表2外部引腳及含義管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VDD5.0V電源電壓3V0-液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電壓:0-5V4RSH/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EH/L使能信號：R

53、/W=“L”,E信號下降沿鎖存DB7DB0 R/W=“H”,E=“H” DDRAM數(shù)據(jù)讀到DB7DB0 714DB0DB7H/L數(shù)據(jù)總線15CS1H/LH:選擇芯片(右半屏)信號16CS2H/LH:選擇芯片(左半屏)信號17RESETH/L復(fù)位信號,低電平復(fù)位18VOUT-10VLCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓19LED+DC+5VLED背光板電源20LED-DC0VLED背光板電源3.5.2 STC12C5A60S2和LCD顯示器模塊的接口STC12C5A60S2和LCD顯示器模塊的接口包括硬件接口和軟件接口兩個(gè)部分。硬件接口是指STC12C5A60S2和LCD顯示器模塊的信息邏輯接線方法。軟件接口是指ST

54、C12C5A60S2對LCD顯示器模塊的顯示控制方法及程序。下面分別介紹這兩種接口方法。3.5.3. STC12C5A60S2和LCD顯示器模塊的硬件接口 STC12C5A60S2和OCMJ4X8C的硬件接口連線如圖3-9所示。在圖中看出，STC12C5A60S2的P23端口的P3.2用于產(chǎn)生串行通訊的時(shí)鐘信號， 其中P3.3用于串口通訊的數(shù)據(jù)接收。RST懸空，默認(rèn)為高電平。為使顯示屏能具有滿意的亮度，在+5V和-5V之間接一個(gè)電位器，用于調(diào)節(jié)VCC的電壓。VCC的電壓一般取0+5V。圖3-9 液晶顯示模塊第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由上位機(jī)程序和下位機(jī)程序組成。上位機(jī)程序的主要功能是對接收到

55、的數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行成像;下位機(jī)程序的主要功能是采集數(shù)據(jù)并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理并將結(jié)果送給上位機(jī)。本文主要完成了下位機(jī)程序的編寫。下位機(jī)程序是在林VISinosl環(huán)境下采用C語言編寫的。C語言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它既有一般高級語言的特點(diǎn)，又可以直接對計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力也很強(qiáng)，許多以前只能用匯編語言來解決的問題現(xiàn)在都可以用C語言來解決。采用C語言編寫程序不僅可以提高編寫效率，而且程序具有很好的可讀性和可移植性，從而減少了開發(fā)時(shí)間。林visoin51是一種基于Windows的集成開發(fā)環(huán)境，從源程序編寫、編譯、連接定位一直到目標(biāo)文件的仿真調(diào)試都可以在其中完成。它采用了

56、專為8051系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的C語言編譯器一KEILC51，KEILCsl符合ANsl標(biāo)準(zhǔn)，生成的程序代碼效率高，運(yùn)行速度快，而所需的存儲空間卻很小。4.1主程序設(shè)計(jì)主程序完成鍵盤輸入的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、測量系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如測量開關(guān)、開啟模擬電路、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及顯示等個(gè)功能及其協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)的工作狀態(tài)可通過鍵盤控制，如測溫開始。測溫開始后，CPU給信號發(fā)生器發(fā)“開”信號，啟動(dòng)聲波發(fā)生電路和兩路聲波接收電路，待接收電路狀態(tài)穩(wěn)定之后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。然后在CPU中進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，同時(shí)找出峰值點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間，計(jì)算出溫度值，通過LED顯示出來。主程序流程圖見圖(4-1)。4.2數(shù)據(jù)采集存儲程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集存儲程序的任務(wù)是對兩路接收通道的信號進(jìn)行采集、存儲。根數(shù)據(jù)采集程序框圖見圖(4-2)。4.3相關(guān)分析存儲程序設(shè)計(jì)相關(guān)分析計(jì)算是該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，節(jié)約存儲空間和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，相關(guān)分析采用邊計(jì)