超聲波測水流的速度

實驗課程名稱實驗項目名稱近代電子學實驗近代電子學實驗 超聲波測水流的速度 理學院 電子科學與技術一、設計目的和要求1、設計測量超聲波正、反向傳輸時間及傳輸時差的電子電路，也可設計成直接測量超聲波傳輸時差的電子電路；2、設計數(shù)碼顯示電路，實時顯示傳輸時差，也可實時顯示可以計算出時間差的數(shù)據(jù)；3、給出相關器件的選型、參數(shù)整定依據(jù)以及它的工作環(huán)境要求；4、分析并提出提高測量精度和分辨率的方法和措施；6、完成實驗仿真、模擬調試、實現(xiàn)主要功能要求；7、加選項：完成流速的計算。二、實驗方案設計：1、原理方框圖如圖1所示：2.設計思想：該設計的內容是超聲波傳輸時差的測量。本設計通過超聲波換能器的收發(fā)信號來控制計數(shù)器測出超聲波在順逆流中所記脈沖的個數(shù)差，進而計算出時間差。技術要點和成果是通過換能器和計數(shù)器來控制計數(shù)器實現(xiàn)了不間斷測時根據(jù)設計要求，系統(tǒng)中必須有計數(shù)的模塊，實現(xiàn)脈沖個數(shù)的計數(shù)，我通過基本計數(shù)器的級聯(lián)實現(xiàn)了大模制的計數(shù)功能，剛開始我選擇了加減計數(shù)器，在超聲波逆流過程中進行加計數(shù)，在順流過程中進行減計數(shù)，最后顯示的數(shù)值就是順逆流的計數(shù)差值，雖然也間接實現(xiàn)了差時的測量，但是逆流加計數(shù)和順流減計數(shù)是不同步的，所測的數(shù)值的準確性不夠高，所以我又用兩塊計數(shù)模塊來分別同時計順逆流時間段的脈沖數(shù)，在讓它們相減得到脈沖差值。但又感覺有點復雜，所以也在一定程度上放棄了。最后確立了另一種較為合適的方案，那就是讓兩個換能器同時發(fā)出超聲波并給計數(shù)器一個脈沖信號，讓計數(shù)器清零復位，當接收到順流信號時換能器發(fā)出脈沖信號讓計數(shù)器加計數(shù)，當換能器接收到逆流信號時發(fā)出一脈沖信號使計數(shù)器處于保持狀態(tài)，這樣計數(shù)器顯示的數(shù)值就是順逆流兩過程的時間差中所計的個數(shù)，進而直接計算得到順逆流過程的時間差。既簡化了電路又彌補了測量不同步的缺點，使測量的可靠性得到提高。本設計中的另一個問題是控制電路的問題，就是怎樣把換能器和計數(shù)器聯(lián)系起來，讓換能器來直接或間接的控制計數(shù)器工作以完成測量過程，尤其是連續(xù)的控制。說到連續(xù)我想到了移位寄存器和計數(shù)器，但想到對計數(shù)器較熟悉又容易連成N進制循環(huán)計數(shù)器，所以我選擇了通過換能器發(fā)出的脈沖來控制一個中間N進制計數(shù)器進而通過該計數(shù)器的輸出端來控制計數(shù)模塊。在本實驗中計數(shù)脈沖的頻率越高，所測的數(shù)值越精確，但考慮到器件的上限頻率，我用555來模擬了一個10兆赫茲的頻率。而在電源的選擇方面我為了簡化電路選擇了五伏電壓等級器件，用一個直流穩(wěn)壓電源供電。3.系統(tǒng)工作原理時差法超聲波流量計其工作原理任務書所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在截止中的順流和逆流傳播時間差來間接的測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接的測量方法。分析計算知流體的流速為V=△T×C×C÷2X,其中△T為超聲波順逆流時差，C為超聲波在非流動介質中的聲速，X為兩個換能器在管線方向上的間距。管道的流量為S=V×S，其中S為管道的橫截面積。所以只要測出超聲波在流體中順流和逆流的時間差，就可以計算出水流的流速，進而計算出流量。即本設計的目標是測量超聲波在順逆流中的時間差。在本設計中有兩個測量元件就是順逆流換能器，在測試開始時讓兩個換能器同時發(fā)出信號并給控制電路一脈沖信號，讓計數(shù)部分計數(shù)器清零復位。由于順流超聲波傳播速度較逆流快，所以先被另一換能器接收到，此時該換能器發(fā)出一脈沖給控制電路讓計數(shù)部分讓其進行加計數(shù)，而當逆流超聲波被接收到時，該換能器又給出另一脈沖給控制電路，使計數(shù)模塊保持，此時所計的脈沖個數(shù)就是脈沖差數(shù)。此過程總共給控制電路3個脈沖信號，即每一個測量周期，控制電路接收到三個控制脈沖信號，實現(xiàn)了計數(shù)模塊的清零復位、計數(shù)、保持相應的三個過程。所以我選擇了模值為三的計數(shù)器來把換能器發(fā)出的脈沖信號轉化為二進制數(shù)，進而來控制計數(shù)模塊。備注我用S90來連成三進值循環(huán)計數(shù)器，為了控制的方便，我選擇了其置九端使用了9、0、1三個型號了來控制計數(shù)其具體控制方式將在單元電路中詳細的說明）三、單元電路設計1.電路結構及工作原理，電路結構圖如下圖2:74LS90的參數(shù)功能表及工作環(huán)境：直流穩(wěn)壓電壓可通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、輸出幾部分。其基本結構如圖所示，為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源大的原理圖，其中整流部分采用了又四個二極管組成的橋式整流電路。電容C1起濾波作用能夠濾去交流分量，使輸出直流電壓更平直。為了使電壓輸出更穩(wěn)定，在電路中加了一個集成穩(wěn)壓器W7805作為穩(wěn)壓電路。C2在穩(wěn)壓器輸入端，抵消了線路的電感效應以防止產(chǎn)生自激振蕩而輸出端電容濾去輸出端的高頻信號，改善了電路的暫態(tài)響應。2.單元電路A（555振蕩器）電路結構圖如圖所示：其工作原理為就是電容在VT+和VT-之間反復的充放電過程使得輸出電壓V0在高低電平之間反復的跳變。電路仿真圖波形圖如圖4所示：可見555振蕩器產(chǎn)生的波形不太精確，在上下升沿有畸形，但對上下升沿觸發(fā)器影響不大，有待校正的是其頻率，可外加石英晶體振蕩器來提高其精度。3.元器件的選擇及參數(shù)確定由參考書知，555振蕩周期為T=(R1+2R2)CLn2f=1/T根據(jù)電路的要求和器件的工作頻率要求我選擇頻率為十兆赫茲，選定電阻的參數(shù)為R1=500,R2=1000,由此計算出電容約為C=72pf。Con端接地電容C1通常選100uf。4.單元電路B(控制器)，電路結構及工作原理：控制電路圖如圖5所示：工作原理：S90的CLK1接換能器的脈沖信號，CLK2接QA端構成8421十進制計數(shù)器，R1R2接地，S1S2接在一塊和QB，當計數(shù)到2時置九，這樣其計數(shù)狀態(tài)為9、0、1三個狀態(tài)2為暫態(tài)返回9）.這樣在其輸出的信號為1001、0000、0001三狀態(tài)（0010為暫態(tài)返回1001由其輸出特性，用QA、QB端相或結果去控制計數(shù)模塊的P端來加或保持（只在0000狀態(tài)加計數(shù)，在1001、0001為保持用QD的求反后控制計數(shù)模塊的R端來控制其清零復位與否（在1001狀態(tài)清零復位，在0000、0001狀態(tài)配合上一個控制端的加、停）。這樣就形成了對計數(shù)模塊的連續(xù)控制，換能器每起動一次，連續(xù)給控制器三個脈沖，控制器循環(huán)一次，完成一次測量控制。電路仿真波形如圖6所示：示波器A端對應P控制端，B對應清零端。分析：由波形分析知上面波形中尖峰脈沖為復位信號，在置九復位信號的同時，P端雖有高電平出現(xiàn)，但置九的級別高，強制復位。其他時刻置九信號為一，電路正常工作，此間P端信號由低到高再到低，實現(xiàn)了計數(shù)的復位保持、計數(shù)與保持，結果合理，方案得當。5.元器件的選擇及參數(shù)確定：由于想到控制時控制計數(shù)器能獨立、合理（控制盡量簡單以保證其可靠性）并順利的控制我在連接S90時，用了置九端而沒用清零端因為用清零端時得到0000、0001.0010三輸出較前者控制起來邏輯關系叫復雜，可靠性較低。而對于或門的選擇主要考慮了其工作電壓值和工作頻率已滿總和電源的統(tǒng)一和電路的匹配。S90的參數(shù)在這里要求不高，其工作頻率遠大于控制電路的工作頻率。（詳細參數(shù)見附錄）6.單元電路C(計數(shù)模塊)電路結構及工作原理:圖中用四個160級聯(lián)成萬進制計數(shù)器（當然其還可根據(jù)實際情況增大其模值由于其本身為十進制的計數(shù)器，所以級聯(lián)較為簡單，只將進位輸出端接下一計數(shù)器的CLK端。清零端在換能器啟動時（第一個脈沖來臨時，控制器狀態(tài)為1001）自動清零，所以其配合控制器QD端工作（又因為我在本系統(tǒng)中用了異步清零復位鍵，清零為低電平有效，所以兩個清零信號用一個與門連接共同控制清零端R）。而置數(shù)端在這沒用到，為了防止干擾，提高電路的可靠性直接接高電平。根據(jù)其真值表知其P.T端為控制端，當其相與為一時計數(shù)器保持，相與為零時為計數(shù)狀態(tài)，所以我把T端直接接高電平，只通過P端配合控制器來控制計數(shù)模塊的計數(shù)與保持。其輸入端也沒用到，考慮到其影響微小，直接懸空。輸出段接譯碼顯示器完成數(shù)據(jù)的顯示。電路仿真圖如下圖11所示：由仿真電路得計數(shù)模塊逢十進一，滿足十進制要求。對電路進行清零，結果如下:7.元器件的選擇及參數(shù)確定：在本設計中對計數(shù)模塊的要求為工作頻率高并為十進制，還有就是統(tǒng)一電源供給，而多數(shù)TTL器件都為五伏直流供電，并且其頻率都在幾十兆赫茲及以上，基本滿足設計要求，所以為了級聯(lián)方便，我直接選擇了十進制器件（剛開74LS160其參數(shù)表見附錄。又顯示LED的承受電壓通常為2.5伏左右，共陽極電壓為五伏，根據(jù)其額定電流值在LED中串聯(lián)限流電阻，選300歐，整定后流過LED的電流約為10毫安左右，滿足其額定要求。系統(tǒng)仿真將電路的各單元電路級聯(lián)，構成系統(tǒng)后電路原理圖如2號圖紙所示。然后對其進行功能的仿真，仿真圖如圖下所示：分析：在該電路中由于軟件的誤差，使555信號發(fā)生器和控制電路的頻率與實際計算值有所差別，所以在仿真時對信號發(fā)生器和控制信號的頻率的參數(shù)做了一些修改，但是電路整體功能完全符合設計要求。具體如下：1該電路設計略去了順流逆流時間的單獨測量而直接測出時間差，我覺得這也是本設計的特點所在。2本電路中只測量出了順逆流時間差中所計的脈沖個數(shù)，要求的時間差需用公式△T=Tp×N來計算，其中△T為順逆流時間差，Tp為所加脈沖的周期，N為數(shù)逆流時間差中所計的脈沖個數(shù)，這一點也是有待改進的。四、總結、體會和建議電路的調試是比較重要的一個環(huán)節(jié)，正確的調試方法會縮短調試時間。剛安裝完畢后我有點興奮，畢竟做了周多了，總的有個結果啊。插上電源的一瞬間，我又驚喜又感到不解。電路中的顯示器是亮的，當接入脈沖信號并給控制端給脈沖時，計數(shù)模塊的個位計數(shù)了，再按原理給控制信號，電路在工作的過程上符合設計要求，但是讓我不解的是計數(shù)模塊只有個位計數(shù)而不進位，這是讓我很不解的。因為我通過測試發(fā)現(xiàn)不計數(shù)的兩塊計數(shù)器的CLK端有信號輸入，而且測得其電源供給也合適。就是找不出錯誤在那，而且我始終相信自己，原理上絕對是沒有錯誤的，那是我經(jīng)過深思熟慮的。這才是調試的開始，對電路整體有了一個錯誤的開始，接下來我采取了分段測試的方法先對計數(shù)器進行了單獨的測試，結果表明，就是計數(shù)模塊出了問題。通過計數(shù)器間的互換測試表明器件是好的，而且對接線也檢查了多次表明無誤，這也是讓我最不解的了。整整耗了一天的時間，我沒有一點辦法，因為這在原理上是講不同的。不計數(shù)的兩個計數(shù)器出現(xiàn)了同一個錯誤。就這樣故障排除了。計數(shù)器好了，我再接上控制電路，電路工作基本上正常了，只是計數(shù)器在計到9的時候就進位了，經(jīng)過簡單的分析是上下升沿出發(fā)的問題，我在進位信號端接了一個非門后，電路就正常進位了。就這樣調試工作在科學和疑惑面前完成了。通過本次課程設計我受益匪淺，在整個設計過程中，我對所學知識的應用性