毕业设计气体泄漏超声检测系统的设计.docx

1、毕业设计气体泄漏超声检测系统的设计河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：气体泄漏超声检测系统的设计学生姓名： 郭志勇所在院系： 机电学院所学专业： 应用电子技术教育导师姓名： 张伟 苗青林完成时刻：2009 年05 月 20 日摘 要随着工业的进展，各类气体包括易燃易爆、有毒气体的种类和应用范围都取得增加，因此，装放这些气体的时候要专门警惕，若是显现泄露，造成的后果不堪假想。这就需要咱们设计一个能够检测的装置。在通过对超声波性质的研究中，咱们发觉超声波是一种高频短波，而且它在空气中传播具有很强的方向性。基于此特性，我设计了一套超声波检测电路，该电路包括了模拟电路与数字电路，其中模

2、拟电路包括了信号放大电路和音频处置电路；数字电路由单片机、LCD和键盘等外围设备组成。在对超声波信号的处置的进程中，信号通过放大滤波以后，一路交给单片机处置，并在显示屏上读出信号的强度与流速；另一路通过降频转化为可听声，从而实现检测的目的。关键词：单片机,声压级,本底噪声,泄漏超声波Ultrasonic gas leak detection systemAbstractAlong with the industry development, each kind of gas including is flammable explosive, Therefore, put in the time

3、 of these gases to be especially careful, if there is leakage, resulting in disastrous consequences. This requires us to design a device that can detect，In through tothe supersonic wave archery target research in, we discovered the ultrasonic wave is one kind of high frequency short wave, and it dis

4、seminates in the air has the very strong directivity. Based on this characteristic, I have designed a set of ultrasonic waves examinations electric circuit, this electric circuit has included the analogous circuit and the digital circuit, analogous circuit has contained the signal enlargement electr

5、ic circuit and the audio frequency processing electric circuit; The digital circuit by auxiliary equipment and so on the monolithic integrated circuit and LCD, keyboard is composed. In to the ultrasonic wave signal processing process in, the signal after enlarges after the filter, a group gives mono

6、lithic integrated circuit processing, and on display monitor read signal intensity and speed of flow; Another group through falls the frequency to transform for may listen to the sound, thus realization examination goal.Keywords：Monolithic integrated circuit,Acoustic pressure level,Background noise,

7、Divulges the ultrasonic wave1 绪论传统的泄漏检测方式是将待测物品充入水或其它介质，通过观看，测量在特按时刻内充入介质的减少量(如通过检测液面的降低等)来实现的，这是一种直接的测量方式。基于这种方式又派生出另一种方式，即将待测物品充入必然压力的气体介质(一样为紧缩空气)，而后置水中观看，以被测物品周围是不是产动气泡作为是不是泄漏的标准。随着技术的进步及检测方式的改善，所谓“绝对不漏”或“无泄漏”只是一个数量上的概念，这一观念，已被人们所同意。判别一个测量物品漏或不漏需要一个更为准确的、数量上的标准，专门是对一些需测量微小泄漏的场合。泄漏检查仪的显现为以上问题提供了一

8、个较好的解决方法，它使得泄漏检测进程加倍便利，测量结果也更为靠得住。在采纳泄漏检查仪的基础上，再辅以上、下料机构、自动密封装置及电气操纵、液压、气动系统等等即可组成一个可用于加工生产线上的泄漏检查设备试漏机。试漏检查仪的显现使得零部件的泄漏在线检测成为可能，采纳这种装置可知足批量生产中对零部件泄漏情形检测的要求，大幅提高产品的品质质量。本课题要紧设计一种气体泄漏检测系统。2 设计方式超声波检测原理是利用超声波匀速传播且能够在金属表面发生部份反射的特性，来进行管道探伤检测，它通过电子装置，发送出超声波的高频（大于20KHz）脉冲，射到管壁上。反射回的超声波，再通过传感器（探头）接收回来，通过信号

9、放大，显示出来波形。由于不同部位处反射到探头上的距离不同，因此超声波返回的时刻也不同。检测器的数据处置单元即可通过计算探头接收到的两组反射波的时刻差乘以超声波传播的速度，得出管道的实际壁厚。如此，既可依照时刻差显示出的波形，依照标定，测量出管壁厚度或缺点和侵蚀尺寸等。由于传统的泄漏检测方式如绝对压力法、压差法、气泡法等,操作复杂而且对技术人员要求较高,而且不具有实时性。目前,工业上普遍利用泄漏产生超声波的原理来进行泄漏检测。利用超声波检测气体泄漏位置,不仅方式简单,而且准确靠得住。基于此,本文研究并设计了一种超声波气体泄漏检测系统。3 气体泄漏检测的设计原理3.1 气体泄漏产生超声波若是一个容

10、器内充满气体,当其内部压壮大于外部压强时,由于内外压差较大,一旦容器有漏孔,气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时,冲出气体就会形成湍流,湍流在漏孔周围会产生必然频率的声波,如图1所示。声波振动的频率与漏孔尺寸有关,漏孔较大时人耳可听到漏气声,漏孔很小且声波频率大于20kHz时,人耳就听不到了,但它们能在空气中传播,被称作空载超声波。超声波是高频短波信号,其强度随着离开声源(漏孔)距离的增加而迅速衰减。因此,超声波被以为是一种方向性很强的信号,用此信号判定泄漏位置相当简单。 图1 气体泄漏产生超声波3.2 声压与泄漏量的关系 泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力P与泄漏孔口直

11、径D决定了湍流声的L1。闻名学者马大猷教授推出如下公式1: （2.1）式中,L为垂直方向距离喷口1m处的声压级(单位:dB);D为喷口直径(单位:mm);D01mm;P0为环境大断气对压力;P为泄漏孔驻压。由此可知, 在与泄漏孔的距离一按时,泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的转变而转变的。泄漏产生的超声波频带比较宽,一样在20kHz到100kHz之间。在不同的频率点,超声波的能量是不同的。事实上,它的频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的转变而转变的。比如:在必然的泄漏孔径和压力下,若是泄露超声波的频谱峰值是在38kHz点,那么加大孔径以后它的频谱峰值可能出此刻36kHz点;若是孔径不变,

12、加大系统内外压差,频谱峰值可能出此刻43kHz点。可是在同一频率点,关于形状相同的泄漏孔,泄漏所产生的超声波的声强随泄漏量的增大而增大。另外,若是泄漏量恒定,即泄漏面积必然,那么泄漏孔的形状越接近于圆形,声压越高。当泄漏孔的雷诺数用式(2)表示时,在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图2所示。式中,为气体密度;为粘度;V为流速;D为力学平均直径。 图2 声压级与雷诺数的关系 （）由图2可知,若是能检测出泄露孔周围在某一个频率点的声强,那么能够推算出该泄漏孔的雷诺数。关于该泄漏孔,由于它的力学平均直径是确信的,因此这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。可是关于不同的泄漏孔,并非明白它的力学平均直径

13、,因此光明白雷诺数还不能求出泄漏量。在工业上,关于管道气体,由于有源源不断的气体补给,管道里面的气压一样都是恒定值。而关于工业容器,由于小孔泄漏的泄漏量超级微弱,容器当中的压力转变超级缓慢,因此能够以为在一段时期内是恒定值。当系统内外压力一按时，关于不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是必然的，能够用公式（2.3）来表示: （）式中,V为气体流速;p为管内压力;P0为环境大断气对压力;T1为绝对温度;P0/P;R为气体常数;K=,关于空气,那么。 当雷诺数、气体流速明白以后,就能够够反求出该泄漏孔力学平均直径D,即可得出泄漏量。通过以上分析得出:只要能检测出距离泄漏点必然距离的超声波在某一个频率点的强

14、度,再给出泄漏系统内外压力,就能够够估算出气体泄漏量。4 超声检测电路设计原理与各单元电路的概述4.1 电路系统的硬件实现进程小孔气体泄漏所发出的超声波强度是极为微弱的,而且在工业场合,环境噪声是相当大的。因此要检测出在恶劣环境下的气体泄漏所发出的超声,必需对系统信号放大部分进行精心的设计。在本系统中只检测40kHz点的泄露超声波的强度,缘故是通过实验得出,在40kHz点的泄漏超声波能量都是比较大的,而且泄漏声和本底噪声能量差值也最大,如此选择能够增加系统灵敏度2。系统原理如图3所示。系统分为模拟和数字两部份,模拟部份包括信号放大电路和音频处置电路等。信号放大电路由前置放大电路、带通滤波电路和

15、二次放大电路组成。音频处置电路由本振电路、混频器、功率驱动电路组成。数字部份要紧由单片机和LCD、RAM、等外围设备组成。传感器信号通过放大滤波以后,一路交由单片机处置,另一路通过降频转化为可听声。下面介绍各部份原理。图3 系统原理图 各单元电路的介绍 4 超声探头的原理超声探头也称为超声波传感器，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的鼓励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，专门是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波探头要紧由压电晶片组成，既能够发射超声波，也能够接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。

16、它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外衣或金属外衣中的一块压电晶片。组成晶片的材料能够有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每一个探头的性能是不同的，咱们利用前必需预先了解它的性能。超声波传感器的要紧性能指标包括： （1）工作频率。工作频率确实是压电晶片的共振频率。当加到它两头的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一样比较高，专门时诊断用超声波探头利用功率较小，因此工作温度比较低，能够长时

17、刻地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。要紧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。4 前置放大电路由于超声波信号十分微弱，一样都是毫伏级，有的乃至是微伏级，因此必需通过前置放大器的放大，才能在示波器显示或记录其波形。在那个地址我选择了双电路、低噪声运算放大器NE5532/A。运算放大器 NE5532/A具有双电路、低漂移、低功耗、低噪声及体积小等特点，其特性是：输入失调电压500V；温度漂移5V/；偏置电流200nA；增益带宽积GB=10MHz；转换速度9V/S；噪声5nV/HZ（1KHz）；消耗电流8mA；322V电源；差模

18、电压0.5V；共模电压Vs；功耗1000mW3；封装形式：如图4所示；图4 NE5532/A封装图前置放大电路：如图5所示：图5 前置放大电路4 带通滤波器二阶有源RC带通滤波器：（1）二阶有源RC带通滤波器的幅频特性图6所示电路为二阶有源RC带通滤波器，运算放大器组成同相放大器，其闭环增益为，(利用这一点能够判定运算放大器工作是不是正常)。采纳复频域分析，图6 二阶有源RC带通滤波器能够取得电压转移函数为： （3.1）依照二阶大体节带通滤波器电压转移函数的典型表达式： （3.2）可得增益常数，中心频率，品质因数。正弦稳态时的电压转移函数可写成 （） 其幅频函数为： （）由上式可见：当时，当时

19、，当时，其幅频特性如图7所示：图7 二阶有源RC带通滤波器幅频特性与无源情形相较，由于品质因数提高，通频带宽度减小，滤波器的选择性改善；另外，还能提供增益(K=2)。4 周密检波电路用一般检波二极管作检波器时，由于其正向伏安特性不是线性的，因此在小信号下，检波失真相当严峻。另外，二极管的正向压降随温度而变，因此检波器的特性也受温度阻碍。用运算放大器组成的周密检波器，能克服一般二极管的缺点，取得与理想二极管接近的检波性能。而且检波器的等效内阻及温度灵敏性也比一般检波器好得多。如图8所示：当Usr为负时，经放大器反相，Usc0，D2截止，D1导通。D1的导通为放大器提供了深度负反馈，因此，放大器的

20、反相输入端2为虚地址，检波器从虚地址通过R2输出信号。因此Usc=0。 当Usr为正时，Usc0，因此D1截止，只要Usc达到-0.7V，D2就导通，这时，可把D2的正向压降UD看成是放大器的输出失调电压，因此电路相当于反相输入的比例放大器，其传输特性为Usc=-(R2/R1)Usr=-Usr。综上所述，上图的传输特性为Use=0(Usr0) 。由于运放的开环增益Go1很高，因此当输入信号为正时，只要UsrUD/Go1,就会使D2导通，而且D2一旦导通，放大器就处于深度的闭环状态，非线性失真超级小，从小信号开始，输入和输出之间确实是具有良好的线性关系。它的死区电压超级小，等于二极管的正向压降U

21、D的1/Go1倍。设D2导通时检波器的反馈系数为F，那么这种周密检波器的内阻和温度系数为一般检波器的1/(Go1F)倍，当R2R1时，检波器还兼有电压放大作用，可将信号放大R2/R1倍。 A/D转换电路A/D转换器有并口输出ADC0809和串行口输出ADC0831。A/D0809的工作进程大致为：第一输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中模拟量输入。然后输入启动转换操纵信号START（不该小于100us）启动转换。A/D转换一开始，芯片内部就当即将终止标志EOC变成低电平，当从CP（CLOCK）引入8个时钟脉冲信号后，A/D转换即告完成，现在EOC变成高电平，

22、同时将数码寄放器的转换结果输入到输出三态缓冲器中，在许诺输出信号OE的操纵下，在将转换结果输出4。一样用混频器产生中频信号： 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，那个信号能够通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时刻转变，因此频谱分析仪在不同的时刻接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时刻进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就取得了被测信号的频谱。图8 周密检波电路但由于本系统规模较小且要其精度不高，而ADC0809尽管转换速度

23、较快但连线较多，我不予采纳，而用连线较少的ADC0831就能够够知足要求。A/D转换芯片ADC0831，其工作电压为+5V，采纳逐次逼近式转换结构，转换时刻与单片机的时钟频率有关。与微处置器接口时只需3根线，DO其中为A/D转换数据串行输出，CLK为时钟信号，CS为片选信号，ADC0831的工作时序如图9，图9所示，在第二个CLK的下降沿后，DO输出最高位MSB，8个时钟后转换完成。图9 ADC0831的工作时序4 单片机与键盘、LCD的连接电路的设计利用启点开发板能够很容易的完成LCD显示,具体如下:1602采纳标准的14脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源；第2脚：VDD接5V正电源；第3

24、脚：V0为液晶显示器对照度调整端，接正电源时对照度最弱，接地电源时对照度最高，对照度太高时会产生“鬼影”，利历时能够通过一个10K的电位器调整对照度；第4脚：RS为寄放器选择，高电平常选择数据寄放器、低电平常选择指令寄放器；第5脚：RW为读写信号线，高电平常进行读操作，低电平常进行写操作；当RS和RW一起为低电平常能够写入指令或显示地址，当RS为低电平RW为高电平常能够读忙信号，当RS为高电平RW为低电平常能够写入数据时能够读忙信号，当RS为高电平RW为低电平常能够写入数据；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平常，液晶模块执行命令；第714脚：D0D7为8位双向数据线； 另外引脚A

25、和K为背光引脚,A接正,K接负便会点亮背光灯；1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、经常使用的符号、和日文化名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，咱们就能够看到字母“A”1602液晶模块内部的操纵器共有11条操纵指令。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置；指令2：光标复位，光标返回到地址00H

26、；指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是不是左移或右移。高电平表示有效，低电平那么无效； 指令4：显示开关操纵。 D：操纵整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：操纵光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：操纵光标是不是闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁5；指令5：光标或显示移位 S/C：高电平常移动显示的文字，低电平常移动光标；指令6：功能设置命令 DL：高电平常为4位总线，低电平常为8位总线 N：低电平常为单行显示，高电平常双行显示 F: 低电平常显示5x7的点阵字符，高电平常显示5x10的点阵字符；指令7

27、：字符发生器RAM地址设置；指令8：DDRAM地址设置；指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，现在模块不能接收命令或数据，若是为低电平表示不忙；指令10：写数据； 指令11：读数据 液晶显示模块是一个慢显示器件，因此在执行每条指令之前必然要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，不然此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也确实是告知模块在哪里显示字符。 图10 单片机与LCD的连接电路程序如下：void test_busy(void) uchar i=1; do P0=0xff; RS=0; RW=1; E=1; if(P0&0x80)=0) break; E=0;

28、while(-i!=0); /*/ void ENABLE(uchar order) P0=order; _nop_(); RS=0; _nop_(); RW=0; _nop_(); E=0;_nop_(); test_busy(); _nop_(); E=1; _nop_(); void writedata(uchar digital) P0=digital; _nop_(); RS=1; _nop_(); RW=0; _nop_(); E=0; _nop_(); test_busy(); _nop_(); E=1; _nop_(); /*/void resetlcd(void) /*lcd

29、初始化设置*/ DELAY(); /*/清除屏幕*/ ENABLE(0X01); /*/8位点阵方式*/ ENABLE(0X38); /*/开显示*/ ENABLE(0X0c); /*/移动光标*/ ENABLE(0X06); /*/显示位置*/ /ENABLE(0X80); 单片机与键盘的连接电路：一样的具有人机对话的单片机系统少不了会有键盘。键盘接口的原理与应用许多的教材都有介绍，但通常各有各的方式，各有各的好坏。下面就我对单片机键盘接口的了解和应用对单片机直接驱动键盘的接口原理及应用作一个说明，并附加相应键盘的汇编子程序和C 语言子函数。我以键盘的数量来选择键盘最适合的接法和最正确的编程

30、方式，对各键盘接口的方式的优缺点加以说明。1*4 按键的单片机键盘接口：当键盘的数量最多为4个时，我最正确的接口方案固然是独立式接法了，即每一个I/O 口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一样接地）。占用的I/O 口数最大为4 条。（注意：14 按键的键盘的接法许多，若是接成扫描式能够占用更少的I/O口，但从程序复杂性和系统稳固性的综合考虑的话，独立式键盘接法应该是首选）。独立式键盘的实现方式是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判定是不是有键按下。例如，将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O 口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平常无键按下时I/O口爱惜高电平。当有键按下时，此I

31、/O 口与地短路迫使I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然维持高电平。我所要做的确实是在程序中查寻此I/O口的电平状态就能够够了解是不是有按键动作了。值得注意的事对抖动部份加的地方理，可是实现的难度较大又会提高了本钱。软件去抖动不是去掉抖动，而是躲开抖动部份的时刻，等键盘稳固了再对其处置。那个地址咱们只研究软件去抖动，实现方式是先查寻按键当有低电平显现时当即延时10200毫秒以躲开抖动，延时终止后再读一次I/O 口的值，这一次的值若是为1 表示低电平的时刻不到10200 毫秒，视为良好。，在用单片机对键盘处置的时候涉及到了一个重要的进程，那确实是键盘的去抖动。那个地址说的抖动是机械的抖动，是当键盘在