发布时间 : 星期六 文章毕业论文，基于单片机的超声波检测系统更新完毕开始阅读f3109a67f5335a8102d22045
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耦合器送入到单片机，作为触发的中断信号。
2.4.3 单片机控制部分
单片机控制电路的主要功能是控制发射电路的发射、计数、计算和修正液体的比重。本系统选用MSP430FG4619型号的单片机。当单片机发射信号给发射电路时启动计时，而在单片机接收到接收电路的电压信号时，产生中断，计数停止。其中，要求有精确的延时，以满足测量精度的要求。计数器采用的是单片机的内部计数器(8.00MHz晶振)。通过计数器所计数值，便可计算出超声波在液体中的传播时间，进而计算出液体的比重。
2.4.4 温度补偿部分
在铅酸蓄电池内部，当放电发生时，电池内部的温度也会随之变化。温度对蓄电池的影响主要是：电解液温度高时，其扩散速度增加，电阻降低，电池电动势也略增加，因此在一定范围内蓄电池的容量随温度增加而增加。根据化学热力学原理，环境温度过高，铅酸蓄电池放电深度越大，电解液密度越高，板栅腐蚀越剧烈，储存时间愈长，腐蚀层愈厚。伴随着板栅腐蚀而产生板栅变形拉伸，其结果使板栅抗强度变小。活性物质脱落，当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时，板栅电阻增大，是蓄电池容量下降，直至蓄电池失效。
在前面的分析中得知，温度在铅酸蓄电池中变化的幅度比较大，对超声波传播速度影响也比较严重，通常情况下，被测液体的温度每变化1℃，超声波的传播速度会变化0.2%左右。而在实际的使用环境中，温度波动很大，因此利用超声波测量液体的比重，为了提高测量的精度势必要对被测液体进行温度补偿。
温度补偿的方法很多，其中最经济简单的方法是温度实测补偿法，由于声音传播速度在不同的温度下有所不同，所以本文选用一种感温器件测量温度来实现声速简单补偿的方法。本系统选用单线数字式温度传感器芯片DS18B20作为温度传感器，由此温度传感器采集到的温度信号经运算放大器后直接送入单片机内部，在单片机内部进行温度补偿的计算。它较之传统的热敏电阻，能够直接读出温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，因此精度很高，满足系统的温度补偿要求。
2.5 超声波测量比重的软件要求
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本系统的软件系统采用了MSP430FG4619的单片机作为核心元件，所有的信号都经过单片机的处理与运算，最终产生出所测量的结果。本系统的软件设计采用模块化设计，包括主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序、温度补偿子程序以及显示子程序，其中最重要的是对发射信号的控制及接收测量的时间控制。
本系统中设置了两个置位复位开关SW1和SW2，由单片机控制双D触发器CD4013的4引脚接入单片机的P6.0引脚，连续发射方波脉冲信号并启动定时器TA，同时发出允许方波信号驱动超声波发射换能器。在接收电路中，经过两级运算放大器的放大进入比较器，再经过比较器的比较整形电路，出来的规则的方波信号进入单片机的P1.0中断引脚，当接收到信号后计时器停止工作，并记下在介质中的传播时间，这样依次测量各组脉冲的传播时间，去掉最大和最小值，并计算一组方波脉冲传播的平均值，经过计算后得到比重值。
2.6 本章小结
本章首先介绍了开口式铅酸蓄电池的工作原理和超声波换能器的情况，并对其进行了分析，在此基础上提出系统的总体设计方案，给出总体原理框图。对硬件部分逐项提出设计要求，分别确立系统对每一部分的要求，并根据最终目标实现提出软件方面的具体任务和实现方法。具体来讲，对传感器要考虑如下几个方面：
(1) 根据测量的对象和环境来确定传感器的类型。本文选用压电、非一体式超声波换能器组成超声波传感器。
(2) 灵敏度的选择。在传感器的线性范围内，希望灵敏度越高越好，因为灵敏度越高时，被测液体比重值发生变化时对应的输出信号值越大，越有利于信号的处理。
(3) 频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真，实际传感器的响应总有一点延迟，因此我们希望延迟越小越好。
(4) 线性范围。由于在实际应用上，任何传感器都不能保证绝对的线性，因此我们认为在一定范围和误差允许的范围内，近似地看作线性变化。
(5) 稳定性。要求所选用的传感器的性能稳定，满足测量比重的要求。
(6) 精度。由于本文采用超声波传感器测量蓄电池电解液的比重，对精度要求很高，因此要选用精度比较高的传感器。
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第3章 超声波比重测量的硬件设计
外围电路是实现系统的物质载体，也是系统实现功能的关键基础。本设计的硬件电路主要包含六大部分：超声波发射单元、超声波接收单元、温度补偿单元、单片机处理单元、供电电源电路单元和显示单元。其中发射单元和接收单元是基础部分，两部分又分别包含了压电式换能器和相应的驱动电路；发射和接收单元依靠压电式换能器来实现两者信号的的衔接。温度补偿单元作为温度校正，使得测量的结果误差更小。而单片机处理单元则是核心部分，所有的数据都要进入单片机处理单元，再经由下章的软件系统处理得到结果。供电电源电路是辅助单元。本章对系统的各硬件功能模块设计进行详细的阐述。
单片机处理单元 电源电路 发射电路 接收电路 温度补偿电路 显示电路 图3-1 超声波传感器外围电路框图
图3-1给出了超声波传感器外围电路框图，单片机单元处于核心部位，处理来自发射、接收、温度补偿各单元的信号。
3.1 发射电路单元
由于本系统的目的是要测量液体的比重，对精度要求很高，而目前现有的大部分驱动电路的发射频率都是40kHz，这个频率在空气中传播效果很好，而在液体中传播效果则很差，因此要解决高精度的问题，就必须把频率提高上去，本系统选用1MHz的发射频率。发射电路单元包括驱动电路和超声波发射换能器，下面给出现有的发射驱动电路和本系统所采用的发射驱动电路。
3.1.1 现有的发射驱动电路
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驱动电路的作用是要产生一个具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的规则电压脉冲去激励超声波压电式发射换能器，由压电式换能器转换为超声波向外发射。超声波驱动电路和换能器探头构成超声发生器。
下面列举了现有常用的发射驱动电路。其中，图3-2采用集成电路NYKD来驱动发射换能器；图3-3采用555时基集成电路来构成的驱动电路，只要很少的附加元件，Wl将频率调节到换能器的谐振频率上，占空比约为50%；图3-4和图3-5由分立元件组成的驱动电路，因其价格便宜，元件普通，调试也方便。但此电路的一个缺点是频率全是40KHZ，对特有的领域不能满足要求。
图3-4 自激式驱动电路
15 佳木斯大学信息电子技术学院 R1 BGC1 C3R4 R2 VdR3 R62KΩ 15VK4 3 2NYKD换能器Vd图3-2专用集成驱动电路
C11μFR12KΩ图3-3 555时基驱动电路
13 555 48
62W1 换能器 C2 换能器