本設(shè)計介紹了一種基于W77E58單片機(jī)的超聲波明渠流量計。該流量計以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離,進(jìn)而得到流量。本設(shè)計概述了超聲波明渠流量計的發(fā)展及基本原理，介紹超聲傳感器的原理及特性。并且在介紹超聲波測明渠流量系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。針對系統(tǒng)的發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計方案進(jìn)行了論證。發(fā)射電路采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩回路，驅(qū)動超聲波換能器，使之發(fā)射出40 kHz超聲波信號。接收電路采用具有帶通濾波的三級放大電路，電壓比較，檢波后經(jīng)高速光耦6N137返回單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用溫度傳感器實時檢測環(huán)境溫度以補(bǔ)償溫度引起的聲速變化，保證了檢測精度。選用MAX7219驅(qū)動LED將測得的流量實時的顯示出來。完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計。該流量計具有測量精度高、運(yùn)行可靠、價格低廉的特點。
關(guān)鍵字: 超聲波；
明渠流量計；W77E58；MAX7219；溫度補(bǔ)償
1.1 國內(nèi)外背景
我國開展近代流量測量技術(shù)方面的工作較晚，早期所需流量計均從國外進(jìn)口，直到20世紀(jì)30年代中期才出現(xiàn)光華精密機(jī)械廠所制造的家用水表，20世紀(jì)50年代初有了新成儀表廠所開發(fā)的文丘里管差壓流量計。20世紀(jì)60年代開始有了渦輪流量計和電磁流量計等本國產(chǎn)品?，F(xiàn)在已形成一個相當(dāng)規(guī)模從事流量測量技術(shù)和儀表研究開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)。從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過230家，向中國儀器儀表協(xié)會流量儀表專業(yè)協(xié)會注冊登記的單位也有50余家，它們均是有相當(dāng)規(guī)?；蛴幸欢ㄌ厣钠髽I(yè)。我國1990年流量儀表產(chǎn)量（不包括*表和家用水表）估計超過25萬臺。
流量計在國外的發(fā)展較快，幾個工業(yè)發(fā)達(dá)國家均有相當(dāng)數(shù)量的流量儀表生產(chǎn)廠家，有專業(yè)生產(chǎn)多品種的流量儀表的綜合大型企業(yè)，也有專業(yè)生產(chǎn)品種單一性能*的流量儀表小型企業(yè)，數(shù)量上以后者居多。目前美國有200余家，英國、德國和日本也均有50家以上，我國有250家以上。
解決不同條件下各種不同被測介質(zhì)的流量測量，至今已經(jīng)發(fā)展了種類繁多的流量儀表，一般可分為如下*類：①差壓式流量計；②浮子式流量計；③容積式流量計；④葉（渦）輪式流量計；⑤電磁流量計；⑥流體振蕩式（包括渦街式）流量計；⑦超聲流量計；⑧熱式流量計；⑨科里奧利質(zhì)量流量計；⑩明渠流量計。近年來，隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)流量測量儀表如差壓式、浮子式、容積式流量計在市場上所占據(jù)的份額已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢，而新穎的流量計如電磁式、渦輪式、超聲波式流量測量儀所占比重正逐年增加。
超聲波流量計是20世紀(jì)70年代隨著IC（集成電路）技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實際應(yīng)用的一種非接觸式儀表，相對于傳統(tǒng)的流量計而言，它具有下列主要特點：
（1）解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。因為一般流量計隨著管徑的增加會帶來制造和運(yùn)輸上的困難，不少流量計只適用于圓形管道，而且造價提高，能耗加大，安裝不便，這些問題，超聲波流量計都可以避免，這樣就提高了流量測量儀表的性能價格比。
（2）對介質(zhì)幾乎無要求。超聲波流量計不僅可以測量液體、氣體，甚至對雙相介質(zhì)（主要是應(yīng)用多普勒法）的流體流量也可以測量，由于可制成非接觸式的測量儀表，所以不破壞流體的流場，沒有壓力損失，并且可以解決其它類型流量計難以測量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性的流量問題。
（3）超聲波流量計的流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響。
（4）超聲波流量計的測量范圍度寬，一般可達(dá)到20：1。
1.2選題依據(jù)及研究意義
隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對流體流量和總量的計量及測試提出了越來越多、越來越高的要求。在注重節(jié)省能源，提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的今天，流量計量與測試的重要性就更加突出并為越來越多的人所認(rèn)識。特別是隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對流量測量的要求越來越高，對流量測量技術(shù)和儀表的研究和開發(fā)也不斷深入，流量測量方法和儀表的種類也越來越多。尤其是在近些年來，流量測量技術(shù)和儀表已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。流量儀表一般可分為如下類:壓差式流量計、浮子式流量計、容積式流量計、葉（渦）輪式流量計、電磁式流量計、流體振蕩式（包括渦街式）流量計、超聲流量計、熱式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計和明渠（或非滿管）用流量計[1]。超聲波流量計是20世紀(jì)70年代隨著IC技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。
近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快?；诓煌?，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為流量測量工作的工具[2]。目前應(yīng)用較多的超聲波流量計測量方法主要有時差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法應(yīng)用zui為普遍。超聲波流量計的時差測量法是基于超聲波在具有流速的媒質(zhì)里傳播時，其傳播時間（速率）會隨著媒質(zhì)流速的變化而變化的原理來實現(xiàn)媒質(zhì)流速測量的方法[3]。
時差法的關(guān)鍵是對于時間測量的高精度，近幾年來，隨著集成電路的高速發(fā)展，高速時間計數(shù)處理芯片不斷出現(xiàn)，使得幾十皮秒的測量精度變得可能，這也對時差法超聲波流量計的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動。
1.3本設(shè)計的主要工作
1.3.1 設(shè)計要求
（1）測量距離范圍要求為 ；
（2）精度要求優(yōu)于1%；
（3）進(jìn)行溫度補(bǔ)償；
（4）顯示方式要求為數(shù)碼管顯示；
1.3.2本設(shè)計的主要工作
本文圍繞堰式超聲波流量計測量技術(shù)的實現(xiàn)，詳細(xì)地分析和敘述了系統(tǒng)硬件和軟件各部分的組成和設(shè)計原理。本文內(nèi)容由以下5部分組成:
（1）分析了超聲波流量計的發(fā)展現(xiàn)狀及工作原理，并說明了超聲波測流量的優(yōu)點。
（2）超聲波明渠流量計的發(fā)射電路設(shè)計；
（3）超聲波明渠流量計的接收電路設(shè)計以及顯示電路設(shè)計；
（4）超聲波明渠流量計的軟件設(shè)計；
（5）總結(jié)論文完成的內(nèi)容，并針對不同的場合提出了改進(jìn)方案。
2超聲波明渠流量計技術(shù)概述
2.1超聲波的基本性質(zhì)
聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機(jī)械振動密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運(yùn)動所產(chǎn)生的機(jī)械振動以波的形式向外傳播。根據(jù)振動所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于 20KHz的聲波稱為超聲波。
超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)：
（1）超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進(jìn)行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同；
（2）超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強(qiáng)的波束，波長愈短方向性愈強(qiáng)，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體；
（3）能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率。要求探測信號的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍（如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的），超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器；
（4）功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量。聲波作用于物體時，物體的分子也要隨著運(yùn)動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運(yùn)動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運(yùn)動速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。
聲波在真空中不能進(jìn)行傳播，必須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為 344m/s。根據(jù)聲源在介質(zhì)中施力方向與聲波傳播方向的不同，聲波的波形也不同，通常有以下幾種：
（1）縱波。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播；
（2）橫波。質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播；
（3）表面波。質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑ァＵ穹S深度增加而迅速衰減的波。
從上述分類可看出，只有縱波可以在氣體中傳播。因此，目前在空氣中的超聲波測量系統(tǒng)大多依靠縱波來實現(xiàn)。而實際測量用的超聲波主要集中在頻率為 40kHz 的范圍內(nèi)。其中，靠近低頻段主要用于空氣和液體介質(zhì)中的測量系統(tǒng)，中頻和高頻段主要用于固體介質(zhì)的測量。這主要是由于介質(zhì)對聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介質(zhì)中衰減就越快。而在固體介質(zhì)中，測量的量程比較短（例如超聲波探傷，測工件厚度等），在液體和氣體中，測量的量程比較長（例如空氣中的超聲波測距，海洋中測深度等），因此，氣體和液體中測量所選擇的聲波頻率就要比固體介質(zhì)中低。
2.2 超聲波傳感器的原理及應(yīng)用
超聲波傳感器是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱*或超聲波探頭。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件的標(biāo)稱頻率一般為 40kHz，頻率取得太低，外界雜音干擾較多，太高在傳播過程中衰減較大[4]。按作用原理不同，超聲波傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中壓電陶瓷晶片制成的換能器zui為常用。在原理上利用壓電陶瓷材料在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的功能。
壓電陶瓷晶片傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成，如圖2.1所示。需用的壓電材料較少，價格低廉且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷片加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向是于外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f 的電壓脈沖，晶片就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動。這種機(jī)械振動推動空氣等媒質(zhì)，便會發(fā)出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用，將會使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲波相同的電信號。當(dāng)在 A，B 間施加交流電壓時，若上片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率 F0，發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓頻率要與它的固有諧振頻率一致，接收超聲波時，作用在它上面的超聲機(jī)械波的頻率也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度，當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可以非常方便地改變其固有頻率。
超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形諧振板、底座、端子、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。如圖2.2所示。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形諧振板是發(fā)射和接收超聲波的
圖2.1 雙壓電晶片示意圖
能量集中，并使傳感器有一定的指向角。金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形諧振板的損害，金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射和接收超聲波。
圖2.2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖
超聲測距傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2m，工作頻率在 60-300kHz 之間；中量程探測距離約為 2-l0m，工作頻率在40-60kHz 之間；大量程探測距離約為 20-50m，工作頻率處16-30kHz 之間。
超聲波傳感器是超聲波測距電路中的重要元件，其性能優(yōu)劣直接影響到測距準(zhǔn)確度和可靠性。超聲波傳感器按收發(fā)方式可分兩類：一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發(fā)射的CSB40T及用于接收的 CSB40R。另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如 TR40-16，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測距有效范圍比較小，防塵、防水性能好。根據(jù)實際工作時所處的環(huán)境的要求，本系統(tǒng)所選用的超聲波傳感器為分體式超聲波傳感器 CSB40T，其中心頻率為 40kHz。CSB40T探頭各項參數(shù)為：頻率為 40 kHz，阻抗 500，靈敏度為 103dB（min），帶寬在 -3dB 時為 1.5K，角度zui大值為 （-6dB），靜電容 200010%PF，zui大驅(qū)動電壓 150Vp-p（10%工作周期），回波靈敏度為 -70dB（min），聲壓電平 0dB=1uvolt/bar。
2.3 流量測量
2.3.1 流量的定義
在流體的流動中，具有某一定面積的截面，把流過該截面的體積或質(zhì)量與時間之比稱為流量。用流體流過的體積與時間之比來表示流量時，稱為體積流量（或容積流量）。用流體流過的質(zhì)量與時間之比來表示流量時，稱為質(zhì)量流量。
一般地說，流量的測量對象就是流過管路或溝渠的流體。在這種情況下，我們來研究具有某個一定面積的管路或溝渠的截面，稱流過該截面的流量為流過該管路或溝渠的流體流量。
如果流體的流動是不隨時間而變化的流動，即穩(wěn)定流。那么，體積流量可以用流體在單位時間內(nèi)通過具有一定面積的截面時的體積來表示。質(zhì)量流量可以用流體在單位時間內(nèi)通過具有一定面積的截面時的質(zhì)量來表示。當(dāng)流體是非穩(wěn)定流時，流量時時刻刻地都在變化著。這種情況下的某一時刻的流量，可以假定該時刻的流動保持恒定不變，用單位時間內(nèi)流過的流體的體積或質(zhì)量來表示。設(shè)流體通過截面中的某一微小面積為dF，并將通過該微小面積流體的流速取為v時，則流體通過微小面積dF的體積流量dQ為:
（2.1）
所以，流體通過整個截面的體積流量Q可對截面面積F進(jìn)行積分而求出，即:
（2.2）
如果整個截面上各點流速相同，由式（2.2）可以導(dǎo)出:
（2.3）
質(zhì)量流量可以用體積流量和流動流量的密度之積來表示。如果質(zhì)量流量為G，流動
流體的密度為ρ，則:
（2.4）
測量這些流量的儀器叫流量計。專門測量體積流量的流量計稱為體積流量計，測量質(zhì)量的流量計稱為質(zhì)量流量計。它們一般都是用于測量流過管路或溝渠的流體的流量?，F(xiàn)在使用的很多流量計，都是在測量流量的同時，也測量出通過體積或通過質(zhì)量。如果體積流量為Q，質(zhì)量流量為G，那么，在時間t內(nèi)流體的通過體積V和通過質(zhì)量M為:
（2.5）
（2.6）
因此，如果流動流體的密度p為一定的話，由式（2.5）可得V=Qt，由（2.6）可得M=Gt，如果由式（2.4）的關(guān)系對此進(jìn)行整理，則:
（2.7）
通過體積V和通過質(zhì)量M分別如式（2.5）和式（2.6）的關(guān)系所表示的那樣，為體積流量和質(zhì)量流量的累積值，因此，把這樣測量的總和M累積流量。以測量累積流量為主的流量計稱為累積流量計。準(zhǔn)確地說，累積流量就是流過流體的體積或質(zhì)量。體積流量的單位為m3/h，cm3/s;質(zhì)量流量單位為kg/h，g/h;流量單位為m/h，m/s等[5]。
2.3.2 流量測量方法
目前已投入使用的流量計超過了100種，這些流量測量儀表已成為過程控制與檢測儀表中的重要部分。根據(jù)現(xiàn)代設(shè)備、現(xiàn)代控制及生產(chǎn)現(xiàn)場對流量檢測技術(shù)的要求，流量測量方法可分為接觸式與非接觸式兩大類[6][7]。
非接觸式——*的流量測量方法。非接觸式流量測量是借助于超聲波、射線、激光等發(fā)展起來的流量測量新技術(shù)，它通過安裝在渠道兩側(cè)的檢測裝置之間接感知信號。由于檢測元件不與被測流體直接接觸，所以克服了傳統(tǒng)的接觸法流量測量中存在的問題。它不但可以提高測量精度（因為無節(jié)流壓力損失，不破壞原來流場）及儀表壽命（因為檢測元件不受流體沖擊、磨蝕作用），而且可以實現(xiàn)用一套測量裝置來測量渠道系統(tǒng)多個部位的流量，因而是一種具有廣泛發(fā)展與應(yīng)用前景的*的流量測量方法。為此，多年來，各國科技工作者運(yùn)用超聲、熱、核磁共振、相關(guān)技術(shù)等物理現(xiàn)象對非接觸測流量方法作了許多艱辛的探索，也有了很大的進(jìn)步。
超聲流量計的特點:
超聲流量計是近年來發(fā)展迅速的流量計之一，和傳統(tǒng)的流量計，如差壓流量計、轉(zhuǎn)子流量計、文丘里流量計、渦街流量計等相比，超聲波流量計有以下突出的優(yōu)點:
（1）采用非接觸式測量，換能器安裝在渠道外壁而不與被測流體直接接觸，基本上不干擾流場無壓力損失，是一種比較理想的儀表。
（2）換能器形式多樣，可適合不同場合的需要，除了用于測量水、石油等一般導(dǎo)聲流體外，還可用來測高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、非導(dǎo)電、易爆和放射性等導(dǎo)聲流體。
（3）通用性好，在可測范圍內(nèi)，同一臺流量計可測任何不同的渠道。
（4）無可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。
（5）安裝維修方便，不需要專門的閥門等且不必中斷流體流動，不影響生產(chǎn)。
2.4.2明渠流量計類型
農(nóng)業(yè)和公用事業(yè)常用的明渠流量儀表的測量原理大體可分為堰法、槽法、流速-水位計算法和電磁流量計法。以下僅介紹實際應(yīng)用的堰式和槽式流量計的原理與特點。
1.堰式流量計
堰式測流法是早已為人們所熟知的明渠流量測量方法，其基本原理是在明渠中途或末端設(shè)置上部有規(guī)則缺口的板，流體受阻后液位上升，當(dāng)升到檔板上端堰（缺）口處時，水流便依靠重力從堰的缺口流出，當(dāng)堰口流出的流量等于渠道中的流量時，水位便穩(wěn)定在某一高度。此時的水位和流量具有一定的關(guān)系，測量這一水位就可以間接得到流量。圖2.4描繪了堰式測量的基本原理，其中D為堰缺口底端的相對高度，h為上流側(cè)水位距堰口的相對高度。
根據(jù)缺口的形狀，堰可分為三角形堰、矩形堰、全寬堰以及梯形堰等。量水堰的形式有許多種，薄壁堰適用于小流量并有較高的精度，多用于實驗室、灌溉渠道和鉆井等處測定流量。河道或?qū)嶋H工程中也常采用寬頂堰和實用剖面堰來量測較大流量。三者原理基本相同。
堰式流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、價格便宜并且可靠性高的特點，但在實際中應(yīng)用很少，主要原因在于：
（1）壓力損失較大，且只宜用于窄渠、固體雜質(zhì)少或無沉積物的流體流量檢測，否則堰前易沉積雜物，要定期清理。
（2）部分堰已標(biāo)準(zhǔn)化，但原理是非線性的。比例堰可實現(xiàn)線性化但未能標(biāo)準(zhǔn)化，缺乏設(shè)計的必要數(shù)據(jù)，而且國內(nèi)尚無專業(yè)廠家批量制造。
（3）流量時，溢流水舌易附著在堰的外側(cè)，從而造成誤差。
（4）裝調(diào)整較為復(fù)雜。
2.槽式流量計
對于平坦地面上的水渠以及工廠排水等大量場合的流量測量，實際上常采用槽式測量的方法。槽式流量測量的基本原理是在水路上安裝具有特定形狀的水糟，使得渠路中的水流在流經(jīng)水槽喉管部時產(chǎn)生節(jié)流，從而引起流速的變化。根據(jù)柏努利原理，節(jié)流處的水位能轉(zhuǎn)化為流速能，因而流速的增大將導(dǎo)致節(jié)流處水位的下降。通過測量這個水位數(shù)據(jù)，那么在已知測量槽各部分尺寸參數(shù)的條件下便可利用相關(guān)公式計算出流量。
2.5 超聲波明渠流量測量原理
明渠流量計中使用zui多是堰式流量計和槽式流量計，通過測出堰槽內(nèi)堰頂水頭高度h，采用流量計算公式（2.8）、（2.9）可得到流量。
湯姆森公式:
（2.8）適用范圍為 ，范圍較窄。
斯特里克蘭公式：
（2.9）
適用范圍為 。
則一段時間內(nèi)的累積流量為：
（2.10）
式中Q為流體單位時間的流量，經(jīng)過積分后求得的為時間t1-t2時間段內(nèi)的累積流量。
標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，超聲波在空氣中的傳播速度為C，因此只要測定超聲波從發(fā)送到接收的傳播時間就可以計算出兩者之間的距離。
設(shè)超聲波發(fā)射和接收的時間差為t,可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S，即:
（2.11）
超聲波在空氣中的傳播速度為C，0℃時的傳播速度為331 ，25℃時為347 ，其與環(huán)境T（℃）的關(guān)系見（2.12）式。
（2.12）
由于超聲波的聲速受到溫度的影響，如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?為了補(bǔ)償溫度條件的影響，設(shè)計了溫度傳感器DS18B20。通過DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償后,水位與超聲波的速度無關(guān),提高超聲波測距精度。
3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)硬件總體框圖
系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射電路，接收電路及其他，接收電路包括信號放大和比較電路；外加LED顯示電路、光電隔離電路；溫度檢測電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器等。如圖3.1所示。
圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，選擇了超聲波探頭的型號選用CSB40T，zui大探測距離為 6m，發(fā)射擴(kuò)散角為 60度。同時，采用W77E58單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示。
3.2 超聲波發(fā)射電路
本文中利用超聲波發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性，具體的電路如圖3.2所示。
從圖中可知，40KHz的超聲波信號使利用555時基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計算式如下：
（3.1）
將R10設(shè)計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40KHz固有頻率一致。為保證555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12V電源。CNT為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機(jī)進(jìn)行控制。
555電路在作定時器或多諧振蕩器使用時，常常利用放電端給外接電容一個接地放電的通路。555電路在作振蕩器使用時，輸出脈沖的zui高頻率可達(dá)500千赫。555電路的輸出有高電平和低電平兩種狀態(tài)，好象它內(nèi)部有一個控制開關(guān)能自動動作。
3.3 超聲波接收電路
超聲接收電路[10]由放大濾波電路和檢波電路兩部分組成。詳述如下：
1.放大濾波電路
接收電路原理圖如圖 3.3所示，放大電路共有三級：前置放大器是高阻抗輸入級，高輸入阻抗是為了與傳感器的高阻抗匹配；中間放大器對信號進(jìn)行有選擇的放大，只放大中心頻率 40KHz的回波信號；第三級是增益放大，利用OP07放大器增加對超聲波回波信號的放大倍數(shù)，放大增益為 10。
為調(diào)試方便，本設(shè)計采用OP07構(gòu)成三級反相放大器，每一級的放大倍數(shù)以不超過100倍為宜，總的放大倍數(shù)可按實際信號大小確定。每一級的反相輸入端串入一個隔直電容，以濾除低頻分量，使放大電路呈現(xiàn)高通特性；同時利用運(yùn)放自身的低通特性，使二者結(jié)合構(gòu)成所需放大器。
圖3.3 超聲波接收電路
前置放大器放大倍數(shù)為：
（3.2）
中間級放大器要求高信噪比，即放大有用信號，抑制噪聲。其放大倍數(shù)為：
（3.3）
第三級是增益放大，利用OP07放大器增加對超聲波回波信號的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)A為-10。
2.檢波電路
超聲接收換能器在接收到超聲波后輸出一個失真的正弦波，為了使單片機(jī)能夠準(zhǔn)確及時的檢測到回波，設(shè)計了如下檢波電路，將失真的正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾?。如下圖所示電路，它由電壓比較器LM393構(gòu)成，反相輸入端參考電壓應(yīng)小于有效信號的峰值，大于噪聲信號的峰值。輸出高電平約為5V，可直接驅(qū)動TTL電路。檢波輸出引起單片機(jī)CPU中斷，CPU記錄發(fā)射信號與接收信號之間的時間，并轉(zhuǎn)換為距離。
圖3.4 檢波電路
3.6N137芯片特點及作用
6N137隔離電壓 3KV，頻率10MHz。高速光電耦合器 6N137被設(shè)計用于高速數(shù)字連接的應(yīng)用，由兩個發(fā)光二級管組成一個完整的光檢驗器。6N137主要起到隔離作用。隔離高電平，使其對主控電路不產(chǎn)生干擾。6N137管腳如圖3.5。
在6N137中，由2,3腳組成的發(fā)光二極管導(dǎo)通后，相應(yīng)的它所對應(yīng)的發(fā)光二極管也導(dǎo)通，這時，只要7腳有效為高電平,輸出腳6為低電平。此外，6腳都輸出高電平。
4.OP07芯片特點及作用
OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路,用于微弱信號的放大,如果使用雙電源.能達(dá)到的放大效果。廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、比較器，值電路、及微弱信號的放大，尤其適應(yīng)于宇航、軍工的應(yīng)用。可和uA741,uA709,LM301,LM308, LF356,OP07，op37,max427這些運(yùn)放來直接代換。OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路,用于微弱信號的放大,如果使用雙電源.能達(dá)到的放大效果下面介紹一下他的引腳圖資料。
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