基于单片机的蓄电池电解液比重测量系统设计[精品文档]—-毕业论文设计.doc

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1、目 录第1章 绪论11.1 课题的来源、目的和意义11.2 研究现状11.3 本文的研究内容及结构4第2章 总体设计方案52.1 铅酸蓄电池工作原理52.2 超声波换能器62.3 超声波测量比重的工作原理92.4 超声波测量比重的硬件要求102.4.1 发射部分112.4.2 接收部分112.4.3 单片机控制部分122.4.4 温度补偿部分122.5 超声波测量比重的软件要求122.6 本章小结13第3章 超声波比重测量的硬件设计143.1 发射电路单元143.1.1 现有的发射驱动电路143.1.2 本系统的发射驱动电路163.2 接收电路单元183.2.1 运算放大电路183.2.2 比

2、较电路213.3单片机的外围电路223.2.1 时钟电路223.2.2 复位电路243.2.3 温度补偿电路253.2.4 显示电路263.4 电源电路283.4.1 传感器相关电路的电源283.4.2 单片机的电源293.5 本章小结30第4章 超声波比重测量的软件设计314.1 定时器原理314.2 程序设计324.2.1 主程序部分334.2.2 中断服务程序部分344.2.3 温度传感器程序部分344.4 本章小结36结 论37致 谢38参考文献39附录1 系统电路图41附录2 系统PCB图42附录3 元器件清单43附录4 程序清单45附录5 外文参考资料翻译51II第1章 绪论1.1

3、 课题的来源、目的和意义在开口式铅酸蓄电池的充放电以及电解液配制过程中，经常用比重计测量电解液的比重，以评估蓄电池的充放电程度和储存电能的多少。目前常用的比重计有吸式比重和浮式比重计，这两种比重计都是利用浮子在电解液中所受的浮力来测量电解液的比重，由于硫酸的粘滞性很大，在实际测量中，浮子常常00被粘附在器壁上，从而造成读数的不准确，因此传统的比重测量方法操作麻烦、效率低，易受外界因素影响，局限性太大。仅仅依靠传统的测量比重的方法己经显得很落后，迫切的需要一种更加快捷方便的测量手段的出现。本文着眼于研究一种方便快捷的测量液体比重的可行性。本文主要研究了利用超声波传感器测量开口式铅酸蓄电池的比重。

4、目前，传统的测量开口式铅酸蓄电池比重的方法是利用比重计，将比重计放进电解液要等其在液体中稳定后才能读取比重值，其过程要耗费大量的时间，效率不高并且不能实时在线的测量比重值，况且浪费人力物力。本文研究利用超声波测量液体的比重值，用单片机控制超声波的发射和接收，将超声波在电解液中传播，然后得到定长的传播时间差，以此来研究测量液体的比重值。研究超声波测量液体比重的方法的直接现实意义是，可以在线实时测量铅酸蓄电池中的稀硫酸电解液的比重，着眼于研究一种不同于传统的、更加方便快捷的测量方法。同时，超声波测量还具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响，能承受有毒、灰尘或烟雾等恶劣环境。本方法可以有效地提高测量比

5、重的效率，另外，根据实践，20的相对密度值每下降0.01g/cm3，相当于铅酸蓄电池放电6%。因此测量比重也可以判断蓄电池的储电量和放电程度。1.2 研究现状本节分两方面进行介绍，首先介绍液体比重测量的现状及主要方法，然后介绍超声波感器的研究现状。目前，测量液体比重的物理方法主要有以下几种:一是用比重计来测量(20)，首先放在恒温箱中恒温，然后就可以直接读出溶液比重，也可以用波美比重计来测出波美度，然后根据波美度用内插法计算出比重；二是用移液管移取一定体积的待测溶液，然后用万分之一的分析天平称量，算出比重；还有是用带有温度表的比重杯来测量，可以精确地观察到温度对溶液比重的影响。密度计和比重杯已

6、经可以解决大部分要求不是很精确的溶剂和膏状体，但对蓄电池电解液比重值这样的高精确的测量，显然不能满足要求。随着电子技术和传感器技术的发展和日臻成熟，以及对比重测量要求的不断提高，电子传感器测量液体比重逐渐发展起来。目前主要的方法有以下几种。(l) 线阵CCD测量航空电缆铅酸蓄电池电解液的比重。电荷耦合器件CCD是一种新型光电转换器件，它具有测量速度快、精度高、可靠性好的优点，因而在遥感、信号处理、工业测量及军事等方面得到广泛应用。利用线阵CCD可对硫酸比重进行非接触测量，但此种方法一般是针对密封式航空蓄电池，对一般的开口式铅酸蓄电池，这种方法是一种资源的浪费。(2) 用音叉传感器测量液体比重。

7、此种方法是利用微型计算机控制测量系统，已达到连续测量液体的比重的方法，该方法用的传感器是一个充满液体的空心音叉。其测量比重的基本原理是让此液体成为谐振元件的一部分，从而影响其谐振频率，装置的基谐方式的谐振频率为液体比重的函数，压电方法被用来迫使装置振荡并记录此谐振，微型机控制扫描频率，探测谐振频率并将此频率变换为比重值。此方法因为音叉装置太大，不方便放进蓄电池的单格中，因此也不便用来测量蓄电池电解液的比重。(3) 光纤CCD技术测量液体比重。应用光导纤维及电荷藕合器件技术测量液体比重，其工作原理是利用半导体激光器或半导体发光管作为光源，经光纤藕合变成平行光束，高精度玻璃比重计置于平行光路中，由

8、于高精度比重计上端和特制的圆锥体相连，因此当液体比重变化时，使得比重计向上或向下移动，置于比重计之上的圆锥体将改变平行光束在CCD传感器上的投影面积，从而改变CCD传感器的输出信号，上端的锥体的直径越大，CCD中的阴影面积越大，也就是表示CCD器件上被挡光的光电元素的个数的多少，再经单片机和控制电路得到锥体宽度和对应液体比重数值。此方法也是因为要把浮子放进被测液体中，同样存在液体粘滞性导致读取误差过大。同时此方法要保持CCD器件窗口玻璃清洁，灰尘和污物的附着会影响测量的结果。超声波是一种机械波，能够在气体、液体、固体中传播。根据声波频率的范围，把声波分为次声波、声波、超声波和微波。其中，频率在

9、1620000Hz之间能为人耳所闻的机械波，称为声波；频率低于16Hz的机械波，称为次声波；频率高于20000Hz的机械波，称为超声波。声波频率的界限如图1-1所示，其中，一般工业探测使用的频率约为105106Hz。次声波声波微波超声波语言音乐探测 101102103104105106107f/Hz图1-1 声波的频率界限图随着超声波传感器技术的日臻成熟，随之的应用领域也在不断的扩展，目前超声波传感器主要应用于超声探伤、超声测距、超声清洗、超声诊断等，下面分别对其进行说明。(l) 超声探伤：运用超声检测的方法检测的仪器称之为超声波探伤仪。它的工作原理是超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性

10、和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声探伤。超声探伤方法通常有穿透法、脉冲反射法和串列法等。(2) 超声测距：它的工作原理是超声波换能器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340*(t/2)，这种方法又称为时间差测距法。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度己知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据

11、发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。(3) 超声清洗：它的工作原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。(4) 超声诊断：它的工作原理为:首先将超声波发射到人体内，当它在体内遇

12、到人体组织的界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影像的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。1.3 本文的研究内容及结构本文在充分研究超声波传感器有关技术的基础上，采用单片机作为控制核心，利用一对超声波换能器，外加相应的发射驱动和接收驱动电路组成超声波传感器，通过将超声波在液体中定长传播来测得传播时间，

13、再通过数据分析来研究液体的比重。具体过程为，由2.00MHz晶振电路输出的方波脉冲信号经过超声波发射换能器，引起发射换能器的谐振片发生机械振动，发射换能器的谐振片发出的机械振动就使被测液体发生受迫振动。接收换能器接收到经被测液体传递过来超声波能量，引起接收换能器的谐振片发生共振，再经内部转换将机械振动再次转换成电脉冲信号。当被测液体的比重发生变化时，超声波传播定长距离的发射和接收波形的相位及传播时间都会有所不同，就是根据这一原理来研究液体比重测量的。本文结构如下:(1) 第1章 绪论：介绍课题的研究背景、目的和意义，研究现状及本文的研究内容。(2) 第2章 总体设计方案：先介绍开口式铅酸蓄电池

14、的基本情况，又对组成超声波传感器的换能器做了详细的分析说明，这两小节为下面的设计要求做了铺垫；接着给出了工作原理的结构框图，并对各部分提出了具体的要求，最后提出软件实现的要求。(3) 第3章 超声波比重测试的硬件设计：本章主要涉及到硬件电路的具体设计，给出了发射电路、接收电路、单片机的外围电路和电源电路，并对各个部分进行了调试，给出了详细的设计电路图，见附录。(4) 第4章 超声波比重测试的软件设计：首先给出主程序流程图，并附加了中断程序流程图和温度传感器测温程序流程图，并根据流程图编写了相应程序，见附录。第2章 总体设计方案本章在研究铅酸蓄电池的工作原理和超声波换能器的基础上，给出了超声波测

15、量比重的总体设计方案，概述了整体框架及软硬件部分的总体要求，本章对后续章节起到总纲的作用。2.1 铅酸蓄电池工作原理本文利用超声波传感器测量液体的比重，主要是为测量开口式铅酸蓄电池中的电解液比重而服务的。铅酸蓄电池的正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是粉状的金属铅，主要特点是采用硫酸做电解液进行充放电反应来工作的，也就是本系统所要完成的测量稀硫酸的比重，电解液的密度为1.201.30g/cm3的硫酸水溶液电解质。荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅;放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。在铅酸蓄电池中要求稀硫酸浓度为1.280.005g/cn3(25时)，因此在铅酸蓄电池中

16、，电解液稀硫酸的浓度大小对蓄电池中电能的存储和蓄电池的使用寿命影响很大。铅酸蓄电池的工作方式分为充电工作方式和放电工作方式两种，这两种工作方式分别对应不同的化学反应，同时也与稀硫酸的比重有着极为密切的关系。当其进行工作时，正、负极上发生的形成放电电流的主导的电化学反应被称为成流反应。实际电池体系往往很复杂，但比重值与储存电能是有关系的，本文就是通过测量其电解质的比重来监测铅酸蓄电池的最佳工作状态。铅酸蓄电池的工作过程也就是里面的电解液和电极发生化学反应的过程。其中，充电反应的化学方程式为:PbSO4+2H2O=Pb(负极)+PbO2(正极)+2H2SO4放电过程反应的化学方程式为:Pb(负极)

17、+PbO2(正极)+2H2SO4=PbSO4+2H2O公式(2-1)、(2-2)的正确性可从以下三个方面得到证实：(l) 用化学分析等方法确认正极活性物质的组成为PbO2，负极活性物质的组成为Pb。(2) 当通过2F电量时，测量H2SO4浓度的变化，相当于消耗了2个克当量的H2SO4并生成了2个克当量的H2O，这与电池的总反应一致。(3) 根据热力学数据计算电池的电动势，与测量值一致。由以上分析可以道，电解液比重对蓄电池起着至关重要的作用，电解液比重的过大或者过小都会对蓄电池的正常工作带来不良的影响。对单格电池，当比重值达到一定数值就代表充电结束。因此，测量开口式铅酸蓄电池的电解液比重，以维持

18、铅酸蓄电池的最佳工作状态，了解电解液密度及其与放电程度和铅酸蓄电池端电压的关系。2.2 超声波换能器超声波换能器是组成超声波传感器的重要部件，在超声系统中是实现电能和声能相互转换的关键，其参数直接决定着超声波传感器的外围电路设计和工作情况，其性能直接影响着检测能力及检测结果的准确性、可靠性。超声换能器由三部分组成：换能器；增幅器(又称二级杆、变幅杆)；焊头(又称焊模)。其最基本的功能是能把电压信号转换成超声波，完成电能与机械能的相互转换。目前工业探测用的超声波换能器频率多为110MHz。图2-1为工业检测用的超声波换能器。图2-1 超声波换能器超声波换能器是一种可逆换能器，又称为超声波探头，它

19、是利用超声波特性研制而成的。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能器晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播。另外超声波传感器还具有性价比高、硬件实现简单等优点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，可用作工业探伤。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声换能器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们在选用换能器之前

20、必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：(1) 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率，当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的功率和能量最大，灵敏度也最高。(2) 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间的工作而不失效。而医疗用的超声波探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。(3) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身，机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波换能器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。下面主要介绍本系统所选用的压电式超声波换能器。目前最常用的是压电式超声波换能器

21、，它是利用压电材料的压电效应原理来工作的。利用逆压电效应的原理将高频电脉冲转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千到几十兆赫兹的高频超声波。在晶体表面极板上施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分单晶材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英、硫酸锂、铌酸锂等。常用的多晶材料有钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅等，多晶材料又称压电陶瓷。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进

22、行工作的。压电材料的性能决定着其测量精度的高低，对压电材料的选取起着至关重要的影响，下面分析一下压电材料主要性能参数：(1) 压电应变常数d33：表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。 此参数是衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数，其值越大，发射性能越好，发射灵敏度越也高。(2) 压电电压常数：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。此参数是衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数，其值越大，接收性能越好，接收灵敏度也越高。(3) 介电常数：当电容器极板距离和面积一定时，介电常数愈大，电容C也就愈大，即电容器所储存的电能就愈多。因此，根据不同的应用要求选用不同的介电常数

23、。超声波测量比重用的压电晶体频率要求较高，应选择小一些，因为越小，C越小，电容器充电时间短，频率高。(4) 机电耦合系数K：表示压电材料的机械能(声能)与电能之间的转换效率。式2-6中，K代表机电耦合系数，即转换能量与总能量之比。(5) 机械品质因子m：其中，压电晶片在谐振时储存的机械能E储存与在一个周期内损失的能量E之比称为机械品质因子m。压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的，m值对分辨力有较大的影响，m值越大，表示损耗越小，晶片持续振动时间越长，脉冲宽度越大，分辨力越低。反之，m值越小，表示损耗越大，脉冲宽度越小，分辨力就越高。(6)频率常数Nt：其中，压电晶片的厚度与固有频率的乘积

24、是一个常数，这个常数叫做频率常数，用N0来表示。晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率愈高。(7) 居里温度Tc：是压电材料的压电效应消失的温度。超声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业上，经常使用一种称为耦合系数的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。随着科技的进步，坚固耐用、有精确感应能力的超声波传感器逐渐被人们所认同，相对其他传感器而言，超声波传感器可以更加简单、灵活，性价比更高。这些新增的特性拓展了一

25、个新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。为工业领域提供了一个新的、极具创造性的解决方案。超声波传感技术应用领域广泛，在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。在医学方面，超声波传感器主要用于诊断疾病，它已经成为临床医学中不可或缺的诊断方法。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。2.3 超声波测量比重的工作原理超声波测量液体的比重是利

26、用超声波的声速随液体比重的变化而变化这一物理性质来检测的。超声波换能器接收由振荡电路输出的规则电压方波信号，经过超声波传感器的换能器，引起压电换能器发生机械振动，并经由压电换能器将超声波发射出去。当发射换能器放入被测量的液体中时，由发射换能器发射出的机械振动就能使被测液体发生受迫振动，另一侧的接收换能器接收到被测液体传递过来的能量，从而使得接收压电换能器里面的谐振片产生共振，经过接收电路把接收到的机械信号转变为电压脉冲信号，再由后面的运算放大器放大、比较器比较整形和相应的滤波电路的滤波，最终将产生的规则的信号传送单片机的中断，经单片机处理后显示出被测液体的比重值。图2-2为工作原理框图，给出了

27、各部分的衔接。图2-2 工作原理框图利用超声波换能器测量液体的比重，所依据的基本原理是超声波的传播速度随液体比重的变化而变化。在同种介质中，除去温度的影响外，传播速度主要受比重因素的影响。在S=vt中，由于速度主要与比重有关，当把传播距离也即声程固定之后，比重只与传播时间有关系；当把多组固定比重的液体测量出所对应的传播时间后，可以通过数学的方法来拟合出比重与传播时间t的关系，再把这个关系写入程序中，由此可得到所测量液体的比重。当超声波沿横轴方向传播时，其波动方程为：其中，表示横轴距离，t表示时间，x表示横轴方向。液体中传播的声速C可表示为：其中，c，V，P分别为液体中的传播声速，摩尔体积，密度

28、和压力。多元液体混合液的声速表达式为：其中，x1、x2表示各自液体摩尔量，c1，c2表示各自的摩尔质量。由以上论述可知对于混合液体的比重也是有理论依据的，所以也可以得出相应的传播介质的传播速度，这为本课题的实际测量奠定了理论基础。超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压随液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地做周期性的变化，形成疏密波，利用超声光栅对不同比重的液体进行测量，然后根据测量结果进行数据拟合，得到的超声波传播速度与液体比重的关系式如下：其中y为液体比重，x为超声波传播时间。2.4 超声波测量比重的硬件要求系统的硬件电路包括发射部分、接收部分、单片机控制部分和温度补偿部分。

29、系统对接收电路的要求主要有以下几个方面：探头工作频率为1MHz10MHz，常用频率为5MHz以下，系统衰减量为0dB120dB，连续可调，动态范围为30dB以上，最大增益时的噪声为10%以下。另外，低功耗是系统对接收电路的基本要求，因为接收电路是除了显示单元之外的功耗大户。图2-3给出了功能模块框图，其中运算放大电路采用两级放大，比较器部分选用单限比较器，温度传感器作为对实际温度的温度补偿，单片机控制发射和接收的传播时间差。图2-3 功能模块框图2.4.1 发射部分发射电路主要由2.00MHz晶振、分频电路、推挽电路、功放电路组成，供电电源有5V、12V两种。晶振发出的2.0MHz的方波信号，

30、通过两个同型号三极管的甲乙类推挽实现功率的放大，因为要驱动探头正常稳定的工作，就要使功率和频率达到一定值。由于要求输出的方波信号稳定可靠，所以要经过很多辅助电路，以保证发射驱动方波脉冲的稳定可靠。2.4.2 接收部分接收电路主要包括耦合、放大、比较、整形、检波滤波。具体来讲就是前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检测、施密特整形输出电路。由于接收换能器接收的信号比较微弱(只有几十毫伏)，通过放大电路将其电压信号进行放大，本系统选用LF357进行了两级放大，放大倍数接近400倍，放大后的电压信号经过检波二极管和电容组成的检波的电路后变为较简单的电压信号波形，在经过LMll9型号的比较电路转换成比较

31、规则的方波信号，此信号经过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：

32、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

33、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912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本系统的软件系统采用了MSP430FG4619的单片机作为

34、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

35、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

36、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。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

37、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。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

38、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

39、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3-2专用集成驱动电路图3-3 555时基驱动电路图3-4 自激式驱动电路图3-5 可控硅驱动电路3.1.2 本系统的发射驱动电路本系统采用频率为1MHZ的发射驱动电路。电路组成元件主要包括2.00M晶振、双D触发器CD4013、由9012和901

40、3组成的推挽功放电路、IRF830场效应管放大、以及与发射换能器耦合的l000PF的无极性电容。如图3-6所示，其中2.00MHz晶振是有源晶振，CD4013的4引脚接单片机的P6.0，TR为发射换能器。图3-6 超声波发射换能器驱动电路此电路中，所有的高频方波都是从2.0MHz的晶振发出的，晶振的1脚悬空，2脚地，4脚接+5V电压，3脚作为输出，3脚的输出波形为频率为2.0MHz的标准方波脉冲。CD4013是双D触发器，采用的是异步触发形式，各触发器的初始状态不会影响到分频的功能。使之处理来自晶振3脚的输出，使得2.0MHz的方波信号二分频。分频后的信号又经过9012与9013推挽功放，后面

41、又加了一级放大，使得功率足够驱动超声波换能器。利用两只型号相同、主要参数相同的晶体管，采用变压器耦合组成工作在乙类状态的推挽功率放大器，可以获得高效率、低失真的功率放大。乙类推挽功率放大器电路工作的主要特点是两管交替工作，并将每管工作时所得半周期输出波形进行合成，完成不失真的放大。工作时，两管的基-射极间的输入信号Ubl和Ub2大小相等，极性相反，由于两管均未引入基极偏流，两管将分别在电压的两个半周期内导通，一管导通，另一管截止，相互配合，交替工作，“推挽放大”的名称由此得来。输出端分别接在两管集电极和电源负极之间，当两管交替输出的集电极电流通过时，在输出端感应出极性相反的电压，最后正负半周合

42、成为完整的波形。由于换能器里面是感性负载，为了使输出波形更稳定，在输出的最后加了一个电容，使之与换能器匹配，使发射换能器所发出的超声波更稳定，更方便于接收换能器的接收。由于超声波是由压电式发射换能器发出的，它是一种机械振动，因此换能器发射出的波形不是之前的方波，而是变为近似正弦的波形，这也从另一个方面说明了，机械振动是连续的，不可能是方波那样存在严格的上升沿和下降沿。这也从另一个侧面反映了电路理论的LC谐振，因为只有当电感和电容达到了良好的谐振状态时，才能高效稳定的输出参数稳定规则的波形。谐振现象的研究有着重要的意义，谐振现象在工程上得到了广泛的应用。对一个RLC串联电路而言，在正弦电压的激励

43、下，电路的工作状况将随着频率的变化而变化，这是由于感抗和容抗随频率变动而造成的，此时该电路的输入阻抗随频率变化的特性为:式(3-1)中，当变动时，感抗随频率成正比变动，容抗随频率成反比变动。由于串联电路中的感抗和容抗相互抵消，所以，当=0时，出现X(0)=0，这时端口上的电压和电流同相，工程上将电路的这种工作状况称为谐振，由于是在串联电路中发生的，故称为串联谐振。串联谐振的条件是：也即发生谐振时的角频率0和频率f0分别为:谐振频率又称为电路的固有频率，是由电路的结构和参数决定的。串联谐振频率只有一个，是由串联电路的L、C参数决定的，而与串联电阻R无关。改变电路中的L或C都能改变电路的固有频率，

44、是电路在某一频率下发生谐振，或者避免谐振。本电路中，串联了一个1000PF的无极电容，根据公式(3-4)，计算得到超声波换能器的自身的感性阻抗为L=25.33。本系统的发射电路频率采用1MHz，而非过去经常采用的40KHz的频率。这不仅因为40KHZ的传播频率较低，同时40KHZ的频率在液体中传播效果不好，很难被接收换能器所接收，而15MHz在液体和固体中的传播效果很好可以远距离传播，而且还能抗干扰，因此本系统选用1MHz的传输频率。 3.2 接收电路单元接收单元电路主要包括两大部分：运算放大电路和比较整形电路。从接收换能器接收到的超声波信号经过换能器转换为电脉冲信号，经过传播液体后势必会损失

45、部分功率，导致接收信号的减弱，因此必须经过调谐、放大、滤波、检波、比较、整形，来得到足够大的电信号，然后把波形稳定的标准方波信号传输到单片机进行数据处理，得到所要测量的参数，最后经单片机处理后再经1602液晶显示出来。图3-7为接收单元原理框图，其中最左端是接收换能器，它将接收到的超声波信号转换为电压信号，再经后续电路将信号传给单片机。图3-7 接收单元原理框图3.2.1 运算放大电路由发射单元经超声波换能器发射的超声波信号经被测液体后有一部分能量损失，接收换能器接收到的超声波很微弱，信号也存在干扰，因此必须经过进一步放大和滤波，才能被后续电路接收并处理。图3-8为整个接收单元的驱动电路，其中

46、接收换能器接收到的信号要经过耦合电容C2进行耦合，以更好的接收信号。图3-8 超声波接受换能器驱动电路图从图3-8中可知接收单元中存在两级运算放大电路。第一级是固定电压放大倍数，第二级中存在一个可调电阻，因此通过改变可调电阻的阻值就可以实现放大倍数的改变。现在分析其中一级放大电路，其简化电路模型如图3-9。、图3-9 放大电路模型根据理想运放的两条规则：V+=0，I1=If把式(3-5)代入图3-9中，可以得到如下关系将图3-9中的R1=1K，Rf=20K代入式(3-6)可得：所以，此接收电路中的放大电路的一级放大倍数为：图3-8中，若取可调电阻R7的阻值为20K，则两级运放的电压放大倍数为4

47、00倍。接收单元用到了运算放大器，所选型号为LF357。接收信号经过两级放大，得到足够大的放大信号，以便于单片机的接收。运算放大器是一种包含许多晶体管的集成电路，它是目前获得广泛应用的一种多端器件。一般放大器的作用是把输入电压放大到一定倍数后再输送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。运算放大器是一种高增益(可达几万倍甚至更高)、高输入电阻、低输出电阻的放大器。+15Vu+uou-15V图3-10 LF357元件图如图3-10所示LF357，运放有两个输入端2、3和一个输出端6，电源端子4(-15V)和7(+15V)连接直流偏置电压，以维持运放内部晶体管的正常工作。在2端和3端分别同时加输入电压u-和u+，则有式(3-9)中，ud=u+-u-，A为运放的电压放大倍数(或电压增益的绝对值)