超聲波測水流的速度

實(shí)驗(yàn)課程名稱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱近代電子學(xué)實(shí)驗(yàn)近代電子學(xué)實(shí)驗(yàn) 超聲波測水流的速度 理學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù)一、設(shè)計(jì)目的和要求1、設(shè)計(jì)測量超聲波正、反向傳輸時(shí)間及傳輸時(shí)差的電子電路，也可設(shè)計(jì)成直接測量超聲波傳輸時(shí)差的電子電路；2、設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示電路，實(shí)時(shí)顯示傳輸時(shí)差，也可實(shí)時(shí)顯示可以計(jì)算出時(shí)間差的數(shù)據(jù)；3、給出相關(guān)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(shí)驗(yàn)仿真、模擬調(diào)試、實(shí)現(xiàn)主要功能要求；7、加選項(xiàng)：完成流速的計(jì)算。二、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：1、原理方框圖如圖1所示：2.設(shè)計(jì)思想：該設(shè)計(jì)的內(nèi)容是超聲波傳輸時(shí)差的測量。本設(shè)計(jì)通過超聲波換能器的收發(fā)信號來控制計(jì)數(shù)器測出超聲波在順逆流中所記脈沖的個(gè)數(shù)差，進(jìn)而計(jì)算出時(shí)間差。技術(shù)要點(diǎn)和成果是通過換能器和計(jì)數(shù)器來控制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了不間斷測時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)中必須有計(jì)數(shù)的模塊，實(shí)現(xiàn)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，我通過基本計(jì)數(shù)器的級聯(lián)實(shí)現(xiàn)了大模制的計(jì)數(shù)功能，剛開始我選擇了加減計(jì)數(shù)器，在超聲波逆流過程中進(jìn)行加計(jì)數(shù)，在順流過程中進(jìn)行減計(jì)數(shù)，最后顯示的數(shù)值就是順逆流的計(jì)數(shù)差值，雖然也間接實(shí)現(xiàn)了差時(shí)的測量，但是逆流加計(jì)數(shù)和順流減計(jì)數(shù)是不同步的，所測的數(shù)值的準(zhǔn)確性不夠高，所以我又用兩塊計(jì)數(shù)模塊來分別同時(shí)計(jì)順逆流時(shí)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(diǎn)復(fù)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(gè)換能器同時(shí)發(fā)出超聲波并給計(jì)數(shù)器一個(gè)脈沖信號，讓計(jì)數(shù)器清零復(fù)位，當(dāng)接收到順流信號時(shí)換能器發(fā)出脈沖信號讓計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)，當(dāng)換能器接收到逆流信號時(shí)發(fā)出一脈沖信號使計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，這樣計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)值就是順逆流兩過程的時(shí)間差中所計(jì)的個(gè)數(shù)，進(jìn)而直接計(jì)算得到順逆流過程的時(shí)間差。既簡化了電路又彌補(bǔ)了測量不同步的缺點(diǎn)，使測量的可靠性得到提高。本設(shè)計(jì)中的另一個(gè)問題是控制電路的問題，就是怎樣把換能器和計(jì)數(shù)器聯(lián)系起來，讓換能器來直接或間接的控制計(jì)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(jì)數(shù)器，但想到對計(jì)數(shù)器較熟悉又容易連成N進(jìn)制循環(huán)計(jì)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(gè)中間N進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)而通過該計(jì)數(shù)器的輸出端來控制計(jì)數(shù)模塊。在本實(shí)驗(yàn)中計(jì)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(gè)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(gè)直流穩(wěn)壓電源供電。3.系統(tǒng)工作原理時(shí)差法超聲波流量計(jì)其工作原理任務(wù)書所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）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(shí)間差來間接的測量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量的一種間接的測量方法。分析計(jì)算知流體的流速為V=△T×C×C÷2X,其中△T為超聲波順逆流時(shí)差，C為超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，X為兩個(gè)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(shí)間差，就可以計(jì)算出水流的流速，進(jìn)而計(jì)算出流量。即本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是測量超聲波在順逆流中的時(shí)間差。在本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)測量元件就是順逆流換能器，在測試開始時(shí)讓兩個(gè)換能器同時(shí)發(fā)出信號并給控制電路一脈沖信號，讓計(jì)數(shù)部分計(jì)數(shù)器清零復(fù)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(shí)該換能器發(fā)出一脈沖給控制電路讓計(jì)數(shù)部分讓其進(jìn)行加計(jì)數(shù)，而當(dāng)逆流超聲波被接收到時(shí)，該換能器又給出另一脈沖給控制電路，使計(jì)數(shù)模塊保持，此時(shí)所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)就是脈沖差數(shù)。此過程總共給控制電路3個(gè)脈沖信號，即每一個(gè)測量周期，控制電路接收到三個(gè)控制脈沖信號，實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)模塊的清零復(fù)位、計(jì)數(shù)、保持相應(yīng)的三個(gè)過程。所以我選擇了模值為三的計(jì)數(shù)器來把換能器發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，進(jìn)而來控制計(jì)數(shù)模塊。備注我用S90來連成三進(jìn)值循環(huán)計(jì)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(gè)型號了來控制計(jì)數(shù)其具體控制方式將在單元電路中詳細(xì)的說明）三、單元電路設(shè)計(jì)1.電路結(jié)構(gòu)及工作原理，電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gè)二極管組成的橋式整流電路。電容C1起濾波作用能夠?yàn)V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(gè)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(yīng)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(yīng)。2.單元電路A（555振蕩器）電路結(jié)構(gòu)圖如圖所示：其工作原理為就是電容在VT+和VT-之間反復(fù)的充放電過程使得輸出電壓V0在高低電平之間反復(fù)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(jì)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(jié)構(gòu)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(gòu)成8421十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，R1R2接地，S1S2接在一塊和QB，當(dāng)計(jì)數(shù)到2時(shí)置九，這樣其計(jì)數(shù)狀態(tài)為9、0、1三個(gè)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(jié)果去控制計(jì)數(shù)模塊的P端來加或保持（只在0000狀態(tài)加計(jì)數(shù)，在1001、0001為保持用QD的求反后控制計(jì)數(shù)模塊的R端來控制其清零復(fù)位與否（在1001狀態(tài)清零復(fù)位，在0000、0001狀態(tài)配合上一個(gè)控制端的加、停）。這樣就形成了對計(jì)數(shù)模塊的連續(xù)控制，換能器每起動(dòng)一次，連續(xù)給控制器三個(gè)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(yīng)P控制端，B對應(yīng)清零端。分析：由波形分析知上面波形中尖峰脈沖為復(fù)位信號，在置九復(fù)位信號的同時(shí)，P端雖有高電平出現(xiàn)，但置九的級別高，強(qiáng)制復(fù)位。其他時(shí)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(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)的復(fù)位保持、計(jì)數(shù)與保持，結(jié)果合理，方案得當(dāng)。5.元器件的選擇及參數(shù)確定：由于想到控制時(shí)控制計(jì)數(shù)器能獨(dú)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(shí)，用了置九端而沒用清零端因?yàn)橛们辶愣藭r(shí)得到0000、0001.0010三輸出較前者控制起來邏輯關(guān)系叫復(fù)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(yuǎn)大于控制電路的工作頻率。（詳細(xì)參數(shù)見附錄）6.單元電路C(計(jì)數(shù)模塊)電路結(jié)構(gòu)及工作原理:圖中用四個(gè)160級聯(lián)成萬進(jìn)制計(jì)數(shù)器（當(dāng)然其還可根據(jù)實(shí)際情況增大其模值由于其本身為十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，所以級聯(lián)較為簡單，只將進(jìn)位輸出端接下一計(jì)數(shù)器的CLK端。清零端在換能器啟動(dòng)時(shí)（第一個(gè)脈沖來臨時(shí)，控制器狀態(tài)為1001）自動(dòng)清零，所以其配合控制器QD端工作（又因?yàn)槲以诒鞠到y(tǒng)中用了異步清零復(fù)位鍵，清零為低電平有效，所以兩個(gè)清零信號用一個(gè)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(dāng)其相與為一時(shí)計(jì)數(shù)器保持，相與為零時(shí)為計(jì)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(jì)數(shù)模塊的計(jì)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(jì)數(shù)模塊逢十進(jìn)一，滿足十進(jìn)制要求。對電路進(jìn)行清零，結(jié)果如下:7.元器件的選擇及參數(shù)確定：在本設(shè)計(jì)中對計(jì)數(shù)模塊的要求為工作頻率高并為十進(jìn)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(shè)計(jì)要求，所以為了級聯(lián)方便，我直接選擇了十進(jìn)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(gòu)成系統(tǒng)后電路原理圖如2號圖紙所示。然后對其進(jìn)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(shí)際計(jì)算值有所差別，所以在仿真時(shí)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(shè)計(jì)要求。具體如下：1該電路設(shè)計(jì)略去了順流逆流時(shí)間的單獨(dú)測量而直接測出時(shí)間差，我覺得這也是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)所在。2本電路中只測量出了順逆流時(shí)間差中所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)，要求的時(shí)間差需用公式△T=Tp×N來計(jì)算，其中△T為順逆流時(shí)間差，Tp為所加脈沖的周期，N為數(shù)逆流時(shí)間差中所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)，這一點(diǎn)也是有待改進(jìn)的。四、總結(jié)、體會和建議電路的調(diào)試是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，正確的調(diào)試方法會縮短調(diào)試時(shí)間。剛安裝完畢后我有點(diǎn)興奮，畢竟做了周多了，總的有個(gè)結(jié)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(dāng)接入脈沖信號并給控制端給脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)模塊的個(gè)位計(jì)數(shù)了，再按原理給控制信號，電路在工作的過程上符合設(shè)計(jì)要求，但是讓我不解的是計(jì)數(shù)模塊只有個(gè)位計(jì)數(shù)而不進(jìn)位，這是讓我很不解的。因?yàn)槲彝ㄟ^測試發(fā)現(xiàn)不計(jì)數(shù)的兩塊計(jì)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(cuò)誤在那，而且我始終相信自己，原理上絕對是沒有錯(cuò)誤的，那是我經(jīng)過深思熟慮的。這才是調(diào)試的開始，對電路整體有了一個(gè)錯(cuò)誤的開始，接下來我采取了分段測試的方法先對計(jì)數(shù)器進(jìn)行了單獨(dú)的測試，結(jié)果表明，就是計(jì)數(shù)模塊出了問題。通過計(jì)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(shí)間，我沒有一點(diǎn)辦法，因?yàn)檫@在原理上是講不同的。不計(jì)數(shù)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器出現(xiàn)了同一個(gè)錯(cuò)誤。就這樣故障排除了。計(jì)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(jì)數(shù)器在計(jì)到9的時(shí)候就進(jìn)位了，經(jīng)過簡單的分析是上下升沿出發(fā)的問題，我在進(jìn)位信號端接了一個(gè)非門后，電路就正常進(jìn)位了。就這樣調(diào)試工作在科學(xué)和疑惑面前完成了。通過本次課程設(shè)計(jì)我受益匪淺，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我對所學(xué)知識的應(yīng)用性