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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，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
