超聲波回波衰濺理論濃度計(jì)設(shè)計(jì)
1 理論分析
超聲波在懸浮液中傳播時(shí),與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減,其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減,接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,最后到達(dá)接收端。各種衰減的機(jī)理是很復(fù)雜的,但都是由懸濁粒子所引起,并與懸濁粒子的數(shù)目成比例,故在一定條件下衰減是和濃度成比例的,測(cè)知懸浮液的聲衰減系數(shù),就能求出濃度。設(shè)液體中有懸浮粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。,液體中沒(méi)有懸濁粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為a0和E0,發(fā)射、接收端之間的距離為L(zhǎng),發(fā)射電壓為Er,則:
根據(jù)上述兩個(gè)公式,懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得。
由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減,聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減,該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過(guò)標(biāo)定后,即可從測(cè)量電壓得到濃度值。
2 硬件設(shè)計(jì)
如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心,采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串,經(jīng)過(guò)功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器,超聲波經(jīng)過(guò)懸濁液到達(dá)接收換能器,利用92 dB對(duì)數(shù)放大器AD8307對(duì)回波衰減信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)放大,最后由微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示、參數(shù)存儲(chǔ)、開(kāi)關(guān)量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。
2.1 主控芯片電路
本系統(tǒng)以美國(guó)Silab的高速混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計(jì)在超聲波發(fā)射和接收的時(shí)序上需要精確的控制,這不僅需要處理器的速度快,而且需要多個(gè)定時(shí)器;由接收單元返回的是低于2.5 V的電壓信號(hào),需要經(jīng)過(guò)精確的A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給CPU處理。C8051F021的特點(diǎn)如下;
①高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)。
②12位的片上SAR ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率,最大100 kbps,可編程放大器增益。
③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,64 KB Flash存儲(chǔ)器;可以在系統(tǒng)編程。
④5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列,硬件SMBus、SPI及2個(gè)UART串口。
⑤功耗低(10 mA@20 MHz),多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式。
2.2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進(jìn)行頻率合成,不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位,還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器。AD9833是可編程的,通過(guò)高速串口外圍接口(SPI),只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡(jiǎn)單正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0 Hz~12.5 MHz的波形。
超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時(shí)鐘來(lái)源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI總線CLK、DATA、CS與微處理器的I/O口通過(guò)一片74HC244相連接。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器,用于增強(qiáng)信號(hào)帶負(fù)載能力。通過(guò)微處理的控制,AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波。AD9833的輸出與微控制器的選通信號(hào)EN在與非門的作用下,在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串,這個(gè)脈沖串經(jīng)過(guò)功率放大電路就可以對(duì)超聲波換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
評(píng)論