本料位测量仪由硬件和软件两部分组成, 系统硬件主要包含四大部分, 即超声信号产生和发射电路、超声信号接收处理电路、探头以及单片机计数显示小系统, 具体原理框图如图 1 所示。系统软件主要是控制超声波的收发、声速温度补偿校正、时间间隔的检测和料位的计算及显示。
1 . 1 超声信号的产生和发射电路 超声信号的产生和发射电路由分频器、触发器、发射信号放大电路组成, 主要功能是产生并发送一个单一频率的超声信号脉冲波, 如图 1 中的 S 信号。 由于 选用 的 超声 换能 器 的机 械 固有 频 率为 2MHz, 根据换能 器的阻 抗匹配要 求, 需要频 率为 2MHz 脉冲信 号作为发射激 励信号。本 设计是由 AT 89C2051 单片机时钟信号( fo sc= 12M Hz) 经六分频实现的。分频后的脉冲信号送至由 74LS 123 可重复触发器构成的单稳态触发电路, 经放大后激励探头, 通过波导管向物料定向发射超声波。 1. 2 超声信号接收处理电路 超声信号接收处理是该料位仪的关键技术之一, 主要需解决两个技术问题: 一是接收信号与发射信号的分离, 二是接收信号的稳定, 即接收信号的自动增益控制。 在料位测量技术中, 发射探头和接收探头往往采用同一个, 这样设计电路结构简单, 安装使用也方便。测量时由探头发出一串超声波, 然后接收反射波的到来, 因此接收信号中会夹带很大份量的发射信号的谐波成分, 两种信号难以分离。通常的办法是采用串联或 并联限幅电路来滤除接收信号中的发射信号的谐波分量, 这种方法的缺陷在于因反射信号幅度的变化会使一部分谐波仍未剔除而导致测量产生误差。本设计采用“延迟接收, 信号分离”技术, 即发射信号发射一段时间后, 以关闭发射信号作为时间检测的起点, 然后检测反射波的结束, 这样接收电路所接收到的最后一串信号纯为反射信号, 不再混有发射信号, 实现了发射与反射信号的良好分离, 从而避免了以往电路所不可避免的测量误差。 由 于 发射信号接触物料表面时会出现漫反射 现 象, 所以接收到的信号仅是反射信号的一部 分, 信 号比 较 弱; 同时又由于发射距离的远近会引起反射信号幅度上的不均等, 为了消除上述缺陷的影响, 接收电路应具有信号放大和自动增益控制的功能, 同时为了减少失真, 还要求接收电路有一定的通频带宽。本设计选用美国史普拉格( SPRAGUE) 公司的 ULN-2204 FM/ AM 收音机集成电路芯片, 顺利地解决了上述难题。该芯片集调幅的混频、调频调幅的中放、检波、低放及内部稳压电源等部分电路于一体, 在兆赫范围内具有良好的自动增益控制作用。其中的中放电路为调频共用, 增益高, 通频带宽, 主要性能指标为: 电压增益 60dB 左右, 通频带宽 200kHz～10MHz, 自动增益 35dB。电路原理图如图 2 所示, 超声探头输出的电信号由 ULN-2204 的 2 脚输入( fin) , 放大后的信号由 15 脚输出( fo ut ) , 经整形处理后送到单片机计数显示小系统, 作为锁存器 D 的时钟信号和同步分频器的门控输入信号 R。由图 2 可见, 电路实现简洁, 且性能稳定, 避免了因电路设计的复杂性而引起的硬件误差, 提高了测量精度。
1. 3 探头 探头是其固有频率为 2MHz 的压电陶瓷换能器, 其功能是将电信号转为超声波信号, 同时将接收的超声波信号转换为电信号。 1. 4 单片机计数显示小系统 AT89C2051 单片机是本系统的核心, 系统晶振频率选 12M Hz。该单片机 20 引脚封装, 功耗极低, 又内带 2KB 闪烁存储器, 省去了片外存储器和锁存器, 因此电路更简洁。系统中单片机的主要作用有二, 一是控制和协调整个系统同步工作, 二是利用单片机的内部定时计数器 T0 进行计数测时, 计数器工作在方式 1。 单片 机计 数 显示小系统的硬 件模块主要由相关 计数电路、同步 分频器、单片机、数码显示电路、晶振恒温池等组成, 主要完成超声波传播时间的测量、计算和显示, 具体电路框图如图 3。显示器采用 4 个 LED 数码管, 经串入并出移位寄存器, 与单片机的串行口相连, 用来显示料位的高度, 单位精确到厘米。 在计数电路设计中, 采用了“延迟接收, 信号分离” 技术和相关计数法。其主要原理是: 测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号, 单片机计数器处于等待状态, 不计数。当信号发射一段时间后, 由单片机发出的计数启闭门控信号 Tp 开启, 即为高电平时, 系统关闭发射信号, 计数器开始计数, 实现起始计时的同步; 当接收信号 R 的最后一个脉冲到来后, T p 转为低电平, 计数器停止计数。可见, 单片机计数器的计数, 通过接收信号 R 和计数门控启闭信号 T p 的控制来实现相关计数。 来自海洋兴业仪器http://www.hyxyyq.com
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