明渠量水超声波水位传感器的研制

摘要

如何提高超声波流量仪表的性价比，研制出适用于明渠量水的精确可靠的水位传感器对促进量水技术的发展和新型量水仪表的应用具有重要的意义。　　本项研究针对超声波测量明渠水位的问题，从超声传输特性及换能器特性的研究入手，寻找影响超声传感器性能的原因和解决途径，研究了空气介质中超声波的辐射、传播、散射和接收等规律，作为超声传感系统设计的理论基础和具体参数选择的依据，在此基础上提出了一套基于单片机的超声波水位传感器的总体设计方案，利用单片机技术初步研制了一种成本低、功耗小，精度高，易与二次仪表配套的超声波水位传感器。本项研究的主要内容和取得的成果如下：　　(1)研究了一种基于单片机的超声波水位传感器的总体设计方案，它以AT89C2051单片机为基础，采用IC卡AT24C16作为整定器件，设计了信号发射电路，信号放大及采样电路，并由此构成传感器的最小系统。利用该方案初步研制开发了一种成本低、功耗小，精度高，易与二次仪表配套的超声波水位传感器。　　(2)在硬件电路的设计中采用变压器匹配电路对信号源与换能器进行了有效的匹配，提高了超声波信号的发射强度。　　(3)研究了以AD623和SA571为主构建的时控增益放大电路，提高了采样精度并最大限度地减小了盲区，该电路具有连接简洁、成本低、功耗低等优点。　　(4)以低功耗、易与单片机单线连接的温度传感器DS18B20作为对传感器温度补偿元件，实现了温度变化场合下声速的实时校正。　　(5)提出了基于IC卡的传感器整定方案，提高了传感器的精度，并实现了传感器输出的归一化。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究的目的与意义

1.2明渠超声波测流技术的研究进展

1.2.1超声波量水基本方法

1.2.2超声波回波法研究现状

1.3本文研究目标、主要内容与技术路线

第二章超声波传输特性分析与传感器总体设计方案

2.1用超声波测量水位方法的理论基础

2.2超声波传输特性分析

2.3超声波换能器特性分析及换能器方案的选择

2.4传感器硬件设计方案

2.5传感器软件设计方案

2.6其它技术问题的处理方法

第三章单片机最小系统设计

3.1 AT89C2051单片机

3.1.1 AT89C系列单片机基本结构

3.1.2 AT89C2051单片机性能

3.2单线数字温度传感器DS18B20及其接口软硬件设计

3.2.1 DS18B20概述

3.2.2 DS18B20引脚及功能特性

3.2.3 DS18B20内部结构及功能

3.2.4 DS18B20的通信协议

3.2.5 DS18B20与单片机的接口设计

3.3 IC卡整定电路

3.4发射及接收电路

3.5传感器稳压电源设计

3.5.1 TPS7350引脚功能及工作原理

第四章信号发射及放大与检测电路的设计

4.1超声波发射电路的设计

4.1.1超声波发射电路的设计

4.1.2变压器电路的匹配问题

4.2放大电路的设计

4.2.1 AD623前置放大电路设计

4.2.2时控增益放大电路的设计

4.3检波电路设计

第五章传感器整定方案的设计

5.1 IC卡与I2C协议的概述

5.1.1 IC卡概述

5.1.2 I2C概述

5.2 AT24C16的结构及于单片机的接口软硬件设计

5.3 AT24C16操作格式

5.3.1 AT24C16的工作方式

5.3.2 AT24C16与单片机的接口程序

5.4传感器的整定

5.4.1传感器的整定原理

5.4.2传感器的整定结果

第六章结论

参考文献

附录Ⅰ超声波水位传感器信号控制及数据处理程序

致谢

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