超声波功率测试仪

1、超声波强度测量仪指导老师：李正中 组员：刘旭升 戴振华 杨财摘要：本设计由8位MCU为主控制器，通过压电传感器检测，并分别进行两部分处理：由AD637应用电路进行RMS to DC转换以及运放进行处理，可处理信号范围为10mV1V；由RC滤波分别进行高通滤波和低通滤波，并通过比较器将波形转换为方波，可测量频率范围为15KHz1.5MHz。在此测量仪中，我们使用可充电电池为其提供电压，并设计充电电路进行充电。与此同时，通过Nokia3310LCD人机界面进行设置，亦可显示测量数值。总而言之，这是一款成本低、易操作、实用性高的超声强度测量仪。关键词：超声波 MCU 测量仪器一、 方案论证与比较供电

2、模块方案比较：方案一：采用LM2596-5.0降压开关型稳压芯片，由12V适配器输入经电解电容滤波和芯片降压处理后得到目标输出电压5V。此方案的缺点在于本设计还需要用放大器，无法满足放大器供电的需求。方案二：采用电脑USB接口进行5.0V供电，经MAX3232芯片进行电压转换，同时经稳压二极管进行稳压后分别在Pin2、Pin6输出+5.1V、-5.1V。此方案可为放大器供电，同时可以用于串口通讯，并且硬件电路简单。因此本设计采用了方案二。RMS to DC转换芯片方案比较：方案一：采用AD736真有效值直流转换芯片，准确度高、稳定性好、频率特性好（工作频率范围可达0460kHz）、输入阻抗高、

3、输出阻抗低、电源范围宽（+2.8、-3.216.5V）且功耗低（最大的工作电流为200A）。此方案的缺点在于本设计的应用要求高精度并且能够对信号电平的急剧变化做出快速响应，AD736芯片无法满足设计要求。方案二：采用AD637真有效直流转换芯片，接受高达7V真有效值的输入电压，精度更高、带宽更宽的真有效值转换器，对于1V真有效值输入，其-3dB带宽为8MHz，同时具有辅助dB输出和省电特性，可将静态电流从3mA降至450A。此方案适用于本设计的应用要求。因此本设计采用了方案二。二、 电路与程序设计 2.1 系统总体设计图1 系统框图 2.2 超声信号采集模块设计图2 如图2所示，在理想状态下，

4、超声波采集到的波形是正弦波，但在实际情况中，超声波采集到的波形大致呈现正弦波，并在正弦波上会出现噪声干扰等状况。因此，必须通过图中D2、D3的作用进行噪声抑制，并将信号进行分压后再输送，使输送到单片机内的电压值不会过高，而导致IC的损坏。2.3 RMS to DC转换模块设计图3如图3所示，通过超声数据采集的Vin，经AD637应用电路进行RMS to DC转换为直流电平，并由高速运放TLE2081应用电路以及模拟开关MC14066进行三种可选择的放大倍数，经放大后的AD0输送到单片机，再由单片机进行程控放大。放大倍数分别为0.1、1、10。2.4 频率采集模块设计图4 如图4所示，通过超声数

5、据采集的Vin，分别经RC低通滤波和RC高通滤波进行滤波，并由单片机控制的OC0输出0V，与滤波后的信号输送到LM293双运放比较器，使波形由正弦波转换为方波，再由单片机控制MC14066芯片进行模拟开关控制。最后利用AVR单片机的计数器T1进行在一定时间内，计算脉冲的数量，即可计算出频率，或者可使用T1的输入捕捉功能（ICP1引脚）进行精确的频率测量。RC低通滤波：设滤波器的输入电压为ex输出电压为ey，电路的微分方程为：这是一个典型的一阶系统。令 =RC，称为时间常数，对上式取拉氏变换，有：或其幅频、相频特性公式为： 分析可知，当f很小时，A(f)=1，信号不受衰减的通过；当f很大时，A(

6、f)=0，信号完全被阻挡，不能通过。RC高通滤波：设滤波器的输入电压为ex输出电压为ey，电路的微分方程为：同理可知，当f很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当f很大时，A(f)=1信号不受衰减的通过。2.5 滤波电路设计图5 如图所示，一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。2.6 系统电源电路设计图6本设计涉及传感器信号采集与信号放大，其中放大器等部分需要用到5V电源，因此根据设计要求采用了MAX3232的引脚2与引脚6分别输出5.5V，并通过D4、D5稳压二极

7、管的反向击穿特性，从而使VCC、VSS的电压值分别为5.1V直流电压，给模块供电。同时，电池经过10uF电解电容滤波，送到HT7533芯片的输入端，进行稳压，然后由HT7533芯片的输出端输出+3.3V直流电压，再由10uF电解电容滤波，输出比较稳定的+3.3V直流电压，给单片机模块供电，同时MiniUSB接口对电池进行充电。2.7 程序流程图图7主程序清单：/* KEY4X4.c*/#include #include #include KEY4x4.hunsigned char Key_Number=16;void Key_Init(void) PORTA &= 0X0F; DDRA |=

8、0XF0; PORTD |= 0XF0; DDRD &= 0X0F;unsigned char Key_Read_Value(void) unsigned char i,j; Key_Init(); if(PIND & 0XF0) = 0XF0) return 0; else delay_ms(120); if(PIND & 0XF0) = 0XF0) return 0; else for(i = 4;i 8;i+) PORTA &= 0X0F; PORTA |= (1i)|0x0f); for(j = 4;j 8;j+) if(PIND & (1 j) = 0) Key_Number = (

9、i - 4) * 4 + (j - 4); i=7;j=7; return 0; /* main.c*/#include #include #include LCD3310_configuration.h#include KEY4x4.h#include Functional_interface.h#include bmp_pixel.hunsigned char status=0;extern unsigned char Key_Number;void Init(void) PORTB |= 0X40; DDRB |= 0XBF; SPCR = 0x50;/Enable SPI，Master

10、，prescale:4; SPSR = 0X00; LCD_Init(); void main(void) signed char choose_num=0; Init(); while( !status ) LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Interface,84,48); Key_Read_Value(); if(Key_Number = 7) status = 1; LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_1,84,48); while(status = 1) Key_Number = 16; Key_Read_Value(); switch(Key_Number)

11、case 0x03: status=0;break; case 0x0b: if(-choose_num = -3) choose_num = 0; break; case 0x0f: if(+choose_num = 1) choose_num = -2; break; default : break; switch(choose_num) case 0: LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_1,84,48); if(Key_Number = 7) status = 2; LCD_Clear(); Frequency_Measurement(); /频率测量子函数 break; case -1: LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_2,84,48); if(Key_Number = 7) status = 3; LCD_Clear(); Voltage_Measurement(); /电压测量子函数 break; case -2: LCD_Draw_Bmp(0,0,AVR_Bmp_3,84,48); if(Key_Number = 7) status = 4; LCD_Clear(); Calculator();