超声波测水流的速度

实验课程名称实验项目名称近代电子学实验近代电子学实验 超声波测水流的速度 理学院 电子科学与技术一、设计目的和要求1、设计测量超声波正、反向传输时间及传输时差的电子电路，也可设计成直接测量超声波传输时差的电子电路；2、设计数码显示电路，实时显示传输时差，也可实时显示可以计算出时间差的数据；3、给出相关器件的选型、参数整定依据以及它的工作环境要求；4、分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施；6、完成实验仿真、模拟调试、实现主要功能要求；7、加选项：完成流速的计算。二、实验方案设计：1、原理方框图如图1所示：2.设计思想：该设计的内容是超声波传输时差的测量。本设计通过超声波换能器的收发信号来控制计数器测出超声波在顺逆流中所记脉冲的个数差，进而计算出时间差。技术要点和成果是通过换能器和计数器来控制计数器实现了不间断测时根据设计要求，系统中必须有计数的模块，实现脉冲个数的计数，我通过基本计数器的级联实现了大模制的计数功能，刚开始我选择了加减计数器，在超声波逆流过程中进行加计数，在顺流过程中进行减计数，最后显示的数值就是顺逆流的计数差值，虽然也间接实现了差时的测量，但是逆流加计数和顺流减计数是不同步的，所测的数值的准确性不够高，所以我又用两块计数模块来分别同时计顺逆流时间段的脉冲数，在让它们相减得到脉冲差值。但又感觉有点复杂，所以也在一定程度上放弃了。最后确立了另一种较为合适的方案，那就是让两个换能器同时发出超声波并给计数器一个脉冲信号，让计数器清零复位，当接收到顺流信号时换能器发出脉冲信号让计数器加计数，当换能器接收到逆流信号时发出一脉冲信号使计数器处于保持状态，这样计数器显示的数值就是顺逆流两过程的时间差中所计的个数，进而直接计算得到顺逆流过程的时间差。既简化了电路又弥补了测量不同步的缺点，使测量的可靠性得到提高。本设计中的另一个问题是控制电路的问题，就是怎样把换能器和计数器联系起来，让换能器来直接或间接的控制计数器工作以完成测量过程，尤其是连续的控制。说到连续我想到了移位寄存器和计数器，但想到对计数器较熟悉又容易连成N进制循环计数器，所以我选择了通过换能器发出的脉冲来控制一个中间N进制计数器进而通过该计数器的输出端来控制计数模块。在本实验中计数脉冲的频率越高，所测的数值越精确，但考虑到器件的上限频率，我用555来模拟了一个10兆赫兹的频率。而在电源的选择方面我为了简化电路选择了五伏电压等级器件，用一个直流稳压电源供电。3.系统工作原理时差法超声波流量计其工作原理任务书所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在截止中的顺流和逆流传播时间差来间接的测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接的测量方法。分析计算知流体的流速为V=△T×C×C÷2X,其中△T为超声波顺逆流时差，C为超声波在非流动介质中的声速，X为两个换能器在管线方向上的间距。管道的流量为S=V×S，其中S为管道的横截面积。所以只要测出超声波在流体中顺流和逆流的时间差，就可以计算出水流的流速，进而计算出流量。即本设计的目标是测量超声波在顺逆流中的时间差。在本设计中有两个测量元件就是顺逆流换能器，在测试开始时让两个换能器同时发出信号并给控制电路一脉冲信号，让计数部分计数器清零复位。由于顺流超声波传播速度较逆流快，所以先被另一换能器接收到，此时该换能器发出一脉冲给控制电路让计数部分让其进行加计数，而当逆流超声波被接收到时，该换能器又给出另一脉冲给控制电路，使计数模块保持，此时所计的脉冲个数就是脉冲差数。此过程总共给控制电路3个脉冲信号，即每一个测量周期，控制电路接收到三个控制脉冲信号，实现了计数模块的清零复位、计数、保持相应的三个过程。所以我选择了模值为三的计数器来把换能器发出的脉冲信号转化为二进制数，进而来控制计数模块。备注我用S90来连成三进值循环计数器，为了控制的方便，我选择了其置九端使用了9、0、1三个型号了来控制计数其具体控制方式将在单元电路中详细的说明）三、单元电路设计1.电路结构及工作原理，电路结构图如下图2:74LS90的参数功能表及工作环境：直流稳压电压可通过降压、整流、滤波、稳压、输出几部分。其基本结构如图所示，为串联型稳压电源大的原理图，其中整流部分采用了又四个二极管组成的桥式整流电路。电容C1起滤波作用能够滤去交流分量，使输出直流电压更平直。为了使电压输出更稳定，在电路中加了一个集成稳压器W7805作为稳压电路。C2在稳压器输入端，抵消了线路的电感效应以防止产生自激振荡而输出端电容滤去输出端的高频信号，改善了电路的暂态响应。2.单元电路A（555振荡器）电路结构图如图所示：其工作原理为就是电容在VT+和VT-之间反复的充放电过程使得输出电压V0在高低电平之间反复的跳变。电路仿真图波形图如图4所示：可见555振荡器产生的波形不太精确，在上下升沿有畸形，但对上下升沿触发器影响不大，有待校正的是其频率，可外加石英晶体振荡器来提高其精度。3.元器件的选择及参数确定由参考书知，555振荡周期为T=(R1+2R2)CLn2f=1/T根据电路的要求和器件的工作频率要求我选择频率为十兆赫兹，选定电阻的参数为R1=500,R2=1000,由此计算出电容约为C=72pf。Con端接地电容C1通常选100uf。4.单元电路B(控制器)，电路结构及工作原理：控制电路图如图5所示：工作原理：S90的CLK1接换能器的脉冲信号，CLK2接QA端构成8421十进制计数器，R1R2接地，S1S2接在一块和QB，当计数到2时置九，这样其计数状态为9、0、1三个状态2为暂态返回9）.这样在其输出的信号为1001、0000、0001三状态（0010为暂态返回1001由其输出特性，用QA、QB端相或结果去控制计数模块的P端来加或保持（只在0000状态加计数，在1001、0001为保持用QD的求反后控制计数模块的R端来控制其清零复位与否（在1001状态清零复位，在0000、0001状态配合上一个控制端的加、停）。这样就形成了对计数模块的连续控制，换能器每起动一次，连续给控制器三个脉冲，控制器循环一次，完成一次测量控制。电路仿真波形如图6所示：示波器A端对应P控制端，B对应清零端。分析：由波形分析知上面波形中尖峰脉冲为复位信号，在置九复位信号的同时，P端虽有高电平出现，但置九的级别高，强制复位。其他时刻置九信号为一，电路正常工作，此间P端信号由低到高再到低，实现了计数的复位保持、计数与保持，结果合理，方案得当。5.元器件的选择及参数确定：由于想到控制时控制计数器能独立、合理（控制尽量简单以保证其可靠性）并顺利的控制我在连接S90时，用了置九端而没用清零端因为用清零端时得到0000、0001.0010三输出较前者控制起来逻辑关系叫复杂，可靠性较低。而对于或门的选择主要考虑了其工作电压值和工作频率已满总和电源的统一和电路的匹配。S90的参数在这里要求不高，其工作频率远大于控制电路的工作频率。（详细参数见附录）6.单元电路C(计数模块)电路结构及工作原理:图中用四个160级联成万进制计数器（当然其还可根据实际情况增大其模值由于其本身为十进制的计数器，所以级联较为简单，只将进位输出端接下一计数器的CLK端。清零端在换能器启动时（第一个脉冲来临时，控制器状态为1001）自动清零，所以其配合控制器QD端工作（又因为我在本系统中用了异步清零复位键，清零为低电平有效，所以两个清零信号用一个与门连接共同控制清零端R）。而置数端在这没用到，为了防止干扰，提高电路的可靠性直接接高电平。根据其真值表知其P.T端为控制端，当其相与为一时计数器保持，相与为零时为计数状态，所以我把T端直接接高电平，只通过P端配合控制器来控制计数模块的计数与保持。其输入端也没用到，考虑到其影响微小，直接悬空。输出段接译码显示器完成数据的显示。电路仿真图如下图11所示：由仿真电路得计数模块逢十进一，满足十进制要求。对电路进行清零，结果如下:7.元器件的选择及参数确定：在本设计中对计数模块的要求为工作频率高并为十进制，还有就是统一电源供给，而多数TTL器件都为五伏直流供电，并且其频率都在几十兆赫兹及以上，基本满足设计要求，所以为了级联方便，我直接选择了十进制器件（刚开74LS160其参数表见附录。又显示LED的承受电压通常为2.5伏左右，共阳极电压为五伏，根据其额定电流值在LED中串联限流电阻，选300欧，整定后流过LED的电流约为10毫安左右，满足其额定要求。系统仿真将电路的各单元电路级联，构成系统后电路原理图如2号图纸所示。然后对其进行功能的仿真，仿真图如图下所示：分析：在该电路中由于软件的误差，使555信号发生器和控制电路的频率与实际计算值有所差别，所以在仿真时对信号发生器和控制信号的频率的参数做了一些修改，但是电路整体功能完全符合设计要求。具体如下：1该电路设计略去了顺流逆流时间的单独测量而直接测出时间差，我觉得这也是本设计的特点所在。2本电路中只测量出了顺逆流时间差中所计的脉冲个数，要求的时间差需用公式△T=Tp×N来计算，其中△T为顺逆流时间差，Tp为所加脉冲的周期，N为数逆流时间差中所计的脉冲个数，这一点也是有待改进的。四、总结、体会和建议电路的调试是比较重要的一个环节，正确的调试方法会缩短调试时间。刚安装完毕后我有点兴奋，毕竟做了周多了，总的有个结果啊。插上电源的一瞬间，我又惊喜又感到不解。电路中的显示器是亮的，当接入脉冲信号并给控制端给脉冲时，计数模块的个位计数了，再按原理给控制信号，电路在工作的过程上符合设计要求，但是让我不解的是计数模块只有个位计数而不进位，这是让我很不解的。因为我通过测试发现不计数的两块计数器的CLK端有信号输入，而且测得其电源供给也合适。就是找不出错误在那，而且我始终相信自己，原理上绝对是没有错误的，那是我经过深思熟虑的。这才是调试的开始，对电路整体有了一个错误的开始，接下来我采取了分段测试的方法先对计数器进行了单独的测试，结果表明，就是计数模块出了问题。通过计数器间的互换测试表明器件是好的，而且对接线也检查了多次表明无误，这也是让我最不解的了。整整耗了一天的时间，我没有一点办法，因为这在原理上是讲不同的。不计数的两个计数器出现了同一个错误。就这样故障排除了。计数器好了，我再接上控制电路，电路工作基本上正常了，只是计数器在计到9的时候就进位了，经过简单的分析是上下升沿出发的问题，我在进位信号端接了一个非门后，电路就正常进位了。就这样调试工作在科学和疑惑面前完成了。通过本次课程设计我受益匪浅，在整个设计过程中，我对所学知识的应用性