基于單片機的氣體泄漏超聲波檢測系統(tǒng)的設計(共32頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業(yè)摘 要隨著工業(yè)的發(fā)展，各種氣體包括易燃易爆、有毒氣體的種類和應用范圍都得到增加，傳統(tǒng)的氣體泄漏檢測方法，如壓差法、氣泡法等，有其局限性，不僅操作復雜，對技術人員要求較高，而且不具有實時性。迫切需要各種方法簡單，準確性可靠的檢測方法。本文介紹了一種氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng),在分析小孔氣體泄漏產生超聲波的原理的基礎上,闡述了該檢測系統(tǒng)的原理及設計方案。該系統(tǒng)能對各種壓力容器的孔隙泄漏所產生的微弱超聲信號進行精確檢測。該系統(tǒng)利用技術對泄漏所產生的超聲波信號進行分析處理和聲壓級計算,從而實現(xiàn)對泄漏的檢測及泄漏量的估算。通過超聲波檢測，正確地判斷和定位產生泄漏

2、位置，對于提高企業(yè)的生產效率，節(jié)約能源，確保安全具有重大意義。 在通過對超聲波性質的研究中，我們發(fā)現(xiàn)超聲波是一種高頻短波，并且它在空氣中傳播具有很強的方向性?；诖颂匦?，我設計了一套超聲波檢測電路，該電路包括了模擬電路與數(shù)字電路，其中模擬電路包含了信號放大電路和音頻處理電路；數(shù)字電路由單片機和LCD、鍵盤等外圍設備組成。在對超聲波信號的處理的過程中，信號經(jīng)過放大濾波以后，一路交給單片機處理，并在顯示屏上讀出信號的強度與流速；另一路通過降頻轉化為可聽聲，從而實現(xiàn)檢測的目的。關鍵詞：單片機 ；聲壓級； 本底噪聲； 泄漏超聲波第一章 引言傳統(tǒng)的泄漏檢測方法是將待測物品充入水或其它介質，通過觀察，測量

3、在特定時間內充入介質的減少量(如通過檢測液面的降低等)來實現(xiàn)的，這是一種直接的測量方式?；谶@種方法又派生出另一種方法，即將待測物品充入一定壓力的氣體介質(通常為壓縮空氣)，而后置水中觀察，以被測物品周圍是否產生氣泡作為是否泄漏的標準。隨著技術的進步及檢測方法的改善，所謂“絕對不漏”或“無泄漏”只是一個數(shù)量上的概念，這一觀念，已被人們所接受。判別一個測量物品漏或者不漏需要一個更為準確的、數(shù)量上的標準，特別是對一些需測量微小泄漏的場合。泄漏檢查儀的出現(xiàn)為以上問題提供了一個較好的解決辦法，它使得泄漏檢測過程更加便捷，測量結果也更為可靠。在采用泄漏檢查儀的基礎上，再輔以上、下料機構、自動密封裝置及電

4、氣控制、液壓、氣動系統(tǒng)等等即可組成一個可用于加工生產線上的泄漏檢查設備試漏機。試漏檢查儀的出現(xiàn)使得零部件的泄漏在線檢測成為可能，采用這種裝置可滿足批量生產中對零部件泄漏情況檢測的要求，大幅提高產品的品質質量。本課題主要設計一種氣體泄漏檢測系統(tǒng)。1.1方案的選擇與論證1.1.1 方案一1.絕對壓力法絕對壓力法測量系統(tǒng)如圖1-1所示，由氣源、空氣過濾器、壓力表、充氣閥、壓力傳感器等部分組成。測量過程如下：圖1-1絕對壓力法測量原理充氣：充氣閥開啟，向待測件內充入規(guī)定壓力的氣體；穩(wěn)定：充氣閥關閉，經(jīng)過一定時間后使得充入氣體達到一個測量所必須的穩(wěn)定狀態(tài)。壓力傳感器將穩(wěn)定階段結束(測量階段開始)前的壓力

5、值設定為一個測量的零點；測量：在規(guī)定的測量時間內，檢測系統(tǒng)檢出壓力的變化值P，與設定的壓力變化極限值進行比較，從而做出合格或不合格的判定；排氣：測量結束后將測試件內部氣體排入大氣中。典型的測量壓力-時間之間關系如圖1-2所示。圖1-2測量壓力-時間曲線1.1.2 方案二壓差法測量原理見圖1-3。壓差法測量過程與絕對壓力法相似，與絕對壓力法不同之處在于壓差法采用一個參考件加入測量系統(tǒng)中，用壓差傳感器記錄測量階段測量件與參考件之間的壓力變化值P。圖1-3壓差法測量原理圖壓差法與絕對壓力法類似，都是通過測量壓力變化值間接地測量泄漏率值。1.1.3方案三超聲波檢測原理是利用超聲波勻速傳播且可以在金屬表

6、面發(fā)生部分反射的特性，來進行管道探傷檢測，它通過電子裝置，發(fā)送出超聲波的高頻（大于20KHz）脈沖，射到管壁上。反射回的超聲波，再通過傳感器（探頭）接收回來，經(jīng)過信號放大，顯示出來波形。由于不同部位處反射到探頭上的距離不同，因而超聲波返回的時間也不同。檢測器的數(shù)據(jù)處理單元便可通過計算探頭接收到的兩組反射波的時間差乘以超聲波傳播的速度，得出管道的實際壁厚。這樣，既可按照時間差顯示出的波形，根據(jù)標定，測量出管壁厚度或缺陷以及腐蝕尺寸等。由于傳統(tǒng)的泄漏檢測方法如絕對壓力法、壓差法、氣泡法等,操作復雜并且對技術人員要求較高,而且不具有實時性。目前,工業(yè)上廣泛利用泄漏產生超聲波的原理來進行泄漏檢測。利用

7、超聲波檢測氣體泄漏位置,不僅方法簡單,而且準確可靠。基于此,本文研究并設計了一種超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)。第二章 氣體泄漏檢測的設計原理2.1氣體泄漏產生超聲波如果一個容器內充滿氣體,當其內部壓強大于外部壓強時,由于內外壓差較大,一旦容器有漏孔,氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時,沖出氣體就會形成湍流,湍流在漏孔附近會產生一定頻率的聲波,如圖2-1所示。聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關,漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲,漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時,人耳就聽不到了,但它們能在空氣中傳播,被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號,其強度隨著離開聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。因此,超聲波

8、被認為是一種方向性很強的信號,用此信號判斷泄漏位置相當簡單。 圖2-1 氣體泄漏產生超聲波2.2 聲壓與泄漏量的關系 泄漏超聲本質上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的L。著名學者馬大猷教授推出如下公式1: （2.1）式中,L為垂直方向距離噴口1m處的聲壓級(單位:dB);D為噴口直徑(單位:mm);D01mm;P0為環(huán)境大氣絕對壓力;P為泄漏孔駐壓。由此可知, 在與泄漏孔的距離一定時,泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。泄漏產生的超聲波頻帶比較寬,一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點,超聲波的能量是不同的。實際上,它的頻譜峰值也是隨

9、泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如:在一定的泄漏孔徑和壓力下,如果的頻譜峰值是在38kHz點,那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點;如果孔徑不變,加大系統(tǒng)內外壓差,頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點。但是在同一頻率點,對于形狀相同的泄漏孔,泄漏所產生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。另外,如果泄漏量恒定,即泄漏面積一定,則泄漏孔的形狀越接近于圓形,聲壓越高。當泄漏孔的雷諾數(shù)用式(2)表示時,在40kHz點聲壓與雷諾數(shù)之間的關系如圖2-2所示。圖2-2 聲壓級與雷諾數(shù)的關系 （2.2）式中,為氣體密度;為粘度;V為流速;D為力學平均直徑。 由圖2-2可知,如果能檢測出孔附近在某一

10、個頻率點的聲強,則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔,由于它的力學平均直徑是確定的,所以這時雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關系。但是對于不同的泄漏孔,并不知道它的力學平均直徑,因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上,對于管道氣體,由于有源源不斷的氣體補給,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對于工業(yè)容器,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器當中的壓力變化非常緩慢,所以可以認為在一段時期內是恒定值。當系統(tǒng)內外壓力一定時，對于不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（2.3）來表示: （2.3）式中,V為氣體流速;p為管內壓力;P0為環(huán)境大氣絕對壓力;T1為絕對溫度;P0/P;R為氣體常數(shù);

11、K=,對于空氣,k=1.4,則K=2.646。 當雷諾數(shù)、氣體流速知道以后,就可以反求出該泄漏孔力學平均直徑D,即可得出泄漏量。通過以上分析得出:只要能檢測出距離泄漏點一定距離的超聲波在某一個頻率點的強度,再給出泄漏系統(tǒng)內外壓力,就可以估算出氣體泄漏量。第三章 超聲檢測電路設計原理與各單元電路的概述3.1 電路系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)過程小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強度是極其微弱的,而且在工業(yè)場合,環(huán)境噪聲是相當大的。所以要檢測出在惡劣環(huán)境下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲,必須對系統(tǒng)信號放大部分進行精心的設計。在本系統(tǒng)中只檢測40kHz點的的強度,原因是通過實驗得出,在40kHz點的泄漏超聲波能量都是比較大的,而

12、且泄漏聲和能量差值也最大(如圖3-1所示)。這樣選擇可以增加系統(tǒng)靈敏度。圖3-1本底噪聲與泄漏聲聲壓圖系統(tǒng)原理如圖3-2所示。系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分,模擬部分包括信號放大電路和音頻處理電路等。信號放大電路由前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路組成。音頻處理電路由本振電路、混頻器、功率驅動電路組成。數(shù)字部分主要由單片機和LCD、RAM、鍵盤等外圍設備組成。傳感器信號經(jīng)過放大濾波以后,一路交由單片機處理,另一路通過降頻轉化為可聽聲。下面分別介紹各部分原理放 大電 路超聲探頭前 置放 大帶 通濾 波精 密檢 波A / D電 路LCD鍵盤單片機穩(wěn)壓電源放 大電 路混頻器本 振電 路功 率驅 動耳

13、 機圖3-2系統(tǒng)原理圖3.2 各單元電路的介紹3.2.1 單元電路的初級階段1.超聲探頭的原理 超聲探頭也稱為超聲波傳感器，超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外

14、套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。2 前置放大電路由于超聲波信

15、號十分微弱，一般都是毫伏級，有的甚至是微伏級，所以必須經(jīng)過前置放大器的放大，才能在示波器顯示或記錄其波形。在這里我選擇了雙電路、低噪聲運算放大器NE5532/A。運算放大器 NE5532/A具有雙電路、低漂移、低功耗、低噪聲及體積小等特點，其特性是：輸入失調電壓500V；溫度漂移5V/；偏置電流200nA；增益帶寬積GB=10MHz；轉換速率9V/S；噪聲5nV/HZ（1KHz）；消耗電流8mA；322V電源；差模電壓0.5V；共模電壓Vs；功耗1000mW；封裝形式：如圖3-3所示；圖3-3 NE5532/A封裝圖前置放大電路：如圖3-4所示圖3-4 前置放大電路3帶通濾波器二階有源RC帶通

16、濾波器（1）二階有源RC帶通濾波器的幅頻特性圖3-5所示電路為二階有源RC帶通濾波器，運算放大器構成同相放大器，其閉環(huán)增益為，(利用這一點可以判斷運算放大器工作是否正常)。采用復頻域分析，圖3- 5 二階有源RC帶通濾波器可以得到電壓轉移函數(shù)為： （3.1）根據(jù)二階基本節(jié)帶通濾波器電壓轉移函數(shù)的典型表達式： （3.2）可得增益常數(shù)，中心頻率，品質因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時的電壓轉移函數(shù)可寫成 （3.3） 其幅頻函數(shù)為： （3.4）由上式可見：當時，當時，當時，其幅頻特性如圖3-6所示。圖3-6 二階有源RC帶通濾波器幅頻特性與無源情況相比，由于品質因數(shù)提高，通頻帶寬度減小，濾波器的選擇性改善；此外，還能

17、提供增益(K=2)。3.2.2單元電路的發(fā)展階段1精密檢波電路用普通檢波二極管作檢波器時，由于其正向伏安特性不是線性的，因此在小信號下，檢波失真相當嚴重。另外，二極管的正向壓降隨溫度而變，所以檢波器的特性也受溫度影響。用運算放大器構成的精密檢波器，能克服普通二極管的缺陷，得到與理想二極管接近的檢波性能。而且檢波器的等效內阻及溫度敏感性也比普通檢波器好得多。如圖3-7所示：當Usr為負時，經(jīng)放大器反相，Usc0，D2截止，D1導通。D1的導通為放大器提供了深度負反饋，因此，放大器的反相輸入端2為虛地點，檢波器從虛地點經(jīng)過R2輸出信號。所以Usc=0。 當Usr為正時，Usc0，所以D1截止，只要

18、Usc達到-0.7V，D2就導通，這時，可把D2的正向壓降UD看成是放大器的輸出失調電壓，因此電路相當于反相輸入的比例放大器，其傳輸特性為Usc=-(R2/R1)Usr=-Usr。綜上所述，上圖的傳輸特性為Use=0(Usr0) 。 由于運放的開環(huán)增益Go1很高，因此當輸入信號為正時，只要UsrUD/Go1,就會使D2導通，而且D2一旦導通，放大器就處于深度的閉環(huán)狀態(tài)，非線性失真非常小，從小信號開始，輸入和輸出之間就是具有良好的線性關系。它的死區(qū)電壓非常小，等于二極管的正向壓降UD的1/Go1倍。設D2導通時檢波器的反饋系數(shù)為F，則這種精密檢波器的內阻和溫度系數(shù)為普通檢波器的1/(Go1F)倍

19、，當R2R1時，檢波器還兼有電壓放大作用，可將信號放大R2/R1倍。圖3-7 精密檢波電路2 A/D轉換電路 A/D轉換器有并口輸出ADC0809和串行口輸出ADC0831 A/D0809的工作過程大致為：首先輸入地址選擇信號，在ALE信號作用下，地址信號被鎖存，產生譯碼信號，選中模擬量輸入。然后輸入啟動轉換控制信號START（不應小于100us）啟動轉換。A/D轉換一開始，芯片內部就立即將結束標志EOC變?yōu)榈碗娖?，當從CP（CLOCK）引入8個時鐘脈沖信號后，A/D轉換即告完成，此時EOC變?yōu)楦唠娖?，同時將數(shù)碼寄存器的轉換結果輸入到輸出三態(tài)緩沖器中，在允許輸出信號OE的控制下，在將轉換結果輸

20、出。但由于本系統(tǒng)規(guī)模較小且要其精度不高，而ADC0809雖然轉換速度較快但連線較多，我不予采用，而用連線較少的ADC0831就可以滿足要求。A/D轉換芯片ADC0831，其工作電壓為+5V，采用逐次逼近式轉換結構，轉換時間與單片機的時鐘頻率有關。與微處理器接口時只需3根線，DO其中為A/D轉換數(shù)據(jù)串行輸出，CLK為時鐘信號，CS為片選信號，ADC0831的工作時序如圖3-8 ，圖 3-8 所示，在第二個CLK的下降沿后，DO輸出最高位MSB，8個時鐘后轉換完成。圖3-8 ADC0831的工作時序3單片機與鍵盤、LCD的連接電路的設計利用啟點開發(fā)板可以很容易的完成LCD顯示,具體如下:1602采

21、用標準的14腳接口其中:第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低

22、電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 另外引腳A和K為背光引腳,A接正,K接負便會點亮背光燈.1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令。它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平） 指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位

23、到地址00H位置指令2：光標復位，光標返回到地址00H 指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標 指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點

24、陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置 指令8：DDRAM地址設置 指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令10：寫數(shù)據(jù) 指令11：讀數(shù)據(jù) 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。 圖3-9單片機與LCD的連接電路void test_busy(void) uchar i=1;do P0=0xff; RS=0; RW=1; E=1; if(P0&0x80

25、)=0) break; E=0; 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 res

26、etlcd(void) /*lcd初始化設置*/ DELAY(); /*/清除屏幕*/ ENABLE(0X01); /*/8位點陣方式*/ ENABLE(0X38); /*/開顯示*/ ENABLE(0X0c); /*/移動光標*/ ENABLE(0X06); /*/顯示位置*/ /ENABLE(0X80); 單片機與鍵盤的連接電路一般的具有人機對話的單片機系統(tǒng)少不了會有鍵盤。鍵盤接口的原理與應用許多的教材都有介紹，但通常各有各的方法，各有各的優(yōu)劣。下面就我對單片機鍵盤接口的了解和應用對單片機直接驅動鍵盤的接口原理及應用作一個說明，并附加相應鍵盤的匯編子程序和C 語言子函數(shù)。我以鍵盤的數(shù)目來選

27、擇鍵盤最適合的接法和最佳的編程方法，對各鍵盤接口的方法的優(yōu)缺點加以說明。1*4 按鍵的單片機鍵盤接口：當鍵盤的數(shù)目最多為4個時，我最佳的接口方案當然是獨立式接法了，即每一個I/O 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地）。占用的I/O 口數(shù)最大為4 條。（注意：14 按鍵的鍵盤的接法許多，如果接成掃描式可以占用更少的I/O口，但從程序復雜性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的綜合考慮的話，獨立式鍵盤接法應該是首選）獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。例如，將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高

28、電平。當有鍵按下時，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以了解是否有按鍵動作了。值得注意的事，在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產生的電平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般在10200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒級的單片機而言則是慢長的。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須去除或避開它。目前的技術有硬件去抖動和軟件去抖動，硬件去抖動

29、就是用部分電路對抖動部分加之處理，但是實現(xiàn)的難度較大又會提高了成本。軟件去抖動不是去掉抖動，而是避開抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。這里我們只研究軟件去抖動，實現(xiàn)方法是先查尋按鍵當有低電平出現(xiàn)時立即延時10200毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為20毫秒），延時結束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10200 毫秒，視為良好。圖3-10鍵盤接口電路4本振電路NE555時基電路封形式有兩種，一是DIP雙列直插8腳封裝，另一種是SOP-8小型（SMD）封裝形式。其他HA17555、LM555、CA555分屬不同的公司生產的產品。內部結構和工作原理都相同。NE555屬于

30、CMOS工藝制造，下面我將對其進行介紹。圖3-11是它的內部功能原理框圖，圖3-12是它的內部等效電路。NE555的內部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復位Reset端，通過比較器A1，復位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權是R、T、TH。 圖3-11內部功能原理框圖 圖3-12是內部等效電路表1是NE555的極限參數(shù)，不同的封裝形式及不同的生產廠商的器件這些參數(shù)不盡相同，極限參數(shù)是指在不損壞器件的情況下，廠商保證的界限，并非可以工作的條件，如果超過某一環(huán)境下使用，其間的安全性將不會得到保

31、證，這使用中應加以注意。表1 NE555的極限參數(shù)電源電壓允許功耗工作溫度儲藏溫度最高結溫+18V600mW-10+70軍用-55+125-65+1503005混頻電路混頻器的作用是變頻（或混頻），是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值的過程。具有這種功能的電路稱為變頻器（或混頻器）。一般用混頻器產生中頻信號： 混頻器將天線上接收到的信號與本振產生的信號混頻，當混頻的頻率等于中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進行放大，然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當本振振蕩器的頻率隨著時間進行掃

32、描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。6 低通濾波二階有源RC低通濾波器(1)二階有源RC低通濾波器的幅頻特性l圖3-13 二階有源RC低通濾波器圖3-13所示電路為二階有源RC低通濾波器，運算放大器A構成同相放大器，其閉環(huán)增益為, (利用這一點可以判斷運算放大器工作是否正常)。采用復頻域分析，可以得電壓轉移函數(shù)為： （3.5）根據(jù)二階基本節(jié)低通濾波器電壓轉移函數(shù)的典型表達式： （3.6）可得增益常數(shù)K=2，極點頻率， 極偶品質因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時的電壓轉移函數(shù)可寫成： （3.7）其幅頻函數(shù)為： （3.8）由上式可見：當時，當時，

33、當時，其幅頻特性如下圖3-14所示與無源情況相比，由于QP增大，隨著頻率增加幅值函數(shù)減小較慢；此外，還能提供增益，即K=21。圖3-14 二階有源RC低通濾波器幅頻特性3.2.3單元電路的完善階段1音頻功放電路LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

34、特性:1、靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電。2、 工作電壓范圍寬，4-12Vor5-18V。3、外圍元件少。4、電壓增益可調，20-200。5、 低失真度。圖3-15音頻功放電路2整流濾波電路與穩(wěn)壓電路整流電路是將工頻交流電轉換為脈動直流電。 濾波電路將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路采用負反饋技術，對整流后的直流電壓進一步進行穩(wěn)定。直流電源的方框圖如圖3-16所示圖3-16整流濾波方框圖n 橋式整流電路（1）工作原理橋式整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路，如圖3-17（a）所示。在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電

35、性。根據(jù)圖3-17（a）的電路圖可知： 當正半周時，二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。 當負半周時，二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。 在負載電阻上正、負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路的波形圖見圖3-17（b）。 (2)參數(shù)計算 根據(jù)圖3-17（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為 （3.9）流過負載的平均電流為 （3.10）流過二極管的平均電流為 （3.11）二極管所承受的最大反向電壓 （3.12）（a）橋式整流電路 （b）波形圖 圖3-17 橋式整流電路流過負載的脈動電壓中

36、包含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓做傅里葉分析，此時諧波分量中的二次諧波幅度最大。脈動系數(shù)S定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。 （3.13） （3.14） （3）橋式整流電路的負載特性曲線 單相橋式整流電路的負載特性曲線是指輸出電壓與負載電流之間的關系 （3.15） 該曲線如圖3-18所示，曲線的斜率代表了整流電路的內阻。n 濾波電路（1）濾波的基本概念 濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，圖3-18單相橋式整流電路的負載特性曲線因此L應與負載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直

37、流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質量。 (2)電容濾波電路 現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖3-19所示，在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容C。圖3-19電容濾波電路 (3)濾波原理 若v2處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時C相當于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦波。當v2到達wt=p/2時，開始下降。先假設二極管關斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負載L放電。指數(shù)放電起始點的放電速率很大。在剛過wt=p/2時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過wt=p/2時二極管仍然導通。

38、在超過wt=p/2后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，當剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關斷。所以在t2到t3時刻，二極管導電，充電，Vi=Vo按正弦規(guī)律變化；t1到t2時刻二極管關斷，Vi=Vo按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。電容濾波過程見圖3-19。需要指出的是，當放電時間常數(shù)RLC增加時，t1點要右移，t2點要左移，二極管關斷時間加長，導通角減??；反之，RLC減少時，導通角增加。顯然。當L很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見圖3-20濾波曲線中的2。反之，當L很大，即IL很小時，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電

39、流較小的場合。(4)電容濾波電路參數(shù)的計算 圖3-20電容濾波電路波形 圖3-21電容濾波的效果電容濾波電路的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱，一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在RLC=（35） 的條件下，近似認為VO=1.2V2。 (5)外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓VO隨負載電流IO的變化關系曲線如圖3-22所示。 圖3-22電容濾波外特性曲線穩(wěn)壓電路 引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因 理想的穩(wěn)壓電路輸出電阻Ro=0,則Vo與負載RL無關，為了降低Ro,穩(wěn)定Vo,高質量的穩(wěn)壓電路必須采用深度電壓負反饋以改善電路性能。引起輸出電

40、壓變化的原因是負載電流的變化和輸入電壓的變化，參見圖3-23。 負載電流的變化會在整流電源的內阻上產生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。即 （3.16）圖3-23穩(wěn)壓電源方框圖 穩(wěn)壓電路的技術指標 用穩(wěn)壓電路的技術指標去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。 DVI和D IO引起的D VO可用下式表示。 （3.17） (1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr 穩(wěn)壓系數(shù)的定義為 ： （3.18） （2）電壓調整率SV （3.19）電壓調整率是特指VI/VI=10%時的Sr。 （3）輸出電阻Ro （3.20）（4）電流調整率SI 電流調整率SI的定義是當輸出電流從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化值。 （3.21）（5）紋波抑制

41、比Srip Srip定義為輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。 （3.22）（6）輸出電壓的溫度系數(shù)ST （3.23）如果考慮溫度對輸出電壓的影響, 則輸出電壓是輸入電壓、負載電流和溫度的函數(shù)。 （3.24）圖3-24整流濾波電路與穩(wěn)壓電路第四章 超聲檢測的軟件設計因為系統(tǒng)要完成測量泄漏超聲的聲壓級、估算泄漏量以及完成顯示功能,所以系統(tǒng)軟件部分主要是由信號采集子程序、濾波子程序、FFT變換程序、泄漏估算子程序、LCD顯示子程序、鍵盤服務子程序六大模塊組成，因為C語言編寫的軟件易于實現(xiàn)模塊化，生成的機器代碼質量高、可讀性強、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫。列出程序

42、設計的總體思路,如圖4-1所示。本文所介紹的超聲波泄漏檢測系統(tǒng)具有精度高、體積小、便于攜帶和具有很好的人機交互界面等特點。該系統(tǒng)還利用單片機等技術實現(xiàn)了對泄漏量的估算。下面根據(jù)圖4-1主程序流程圖介紹軟件的具體設計（1）首先將單片機系統(tǒng)、LCD、A/D轉換、濾波器系數(shù)、FFT旋轉因子初始化；（2）鍵盤掃描子程序 由于機械觸點的彈性作用，在鍵被按下或彈起時會出現(xiàn)電壓抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間，如錯誤！未找到引用源。所示。為保證鍵識別的準確，必須進行去抖動處理，去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是加去抖動電路，從根本上避免抖動；軟件方法有很多種，例子程序主要是利用主程序的

43、循環(huán)掃描，主程序循環(huán)一次，掃描一次按鍵，當連續(xù)N次掃描到的鍵值都一樣時，則說明是穩(wěn)定的按鍵值。 顯示子程序完成符號、數(shù)值的顯示輸出。（3）A/D采樣子程序信號采集與A/D轉換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)對相應的模擬信號進行量化及處理，并將相應信號的數(shù)值返回主程序。（4）FIR濾波子程序濾波算法的設計：這里主要采用了算術平均值濾波法的方法，一般在設計平均值濾波程序是，要考慮消除較為明顯的脈沖干擾，即將遠離真實值的采樣值剔除，不參加平均值計算，從而使平均值更接近真實值。算法原理為：連續(xù)采用幾次，將其累加求和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按N-2個采樣值求平均，即得有效采樣值

44、。為使平均濾波方便，N-2最好取，2、4、8、16，這樣的除法實際上執(zhí)行右移指令即可完成。具體做法有兩種：對于快變參數(shù)，先連續(xù)采樣N次，然后在處理，但要在RAM中開辟出N個數(shù)據(jù)的暫存區(qū)。對于慢變參數(shù)，可一邊采樣，一邊處理，而不必在RAM中開辟數(shù)據(jù)暫存區(qū)。（5）FFT變換子程序在進行FFT變換子程序的設計時，因為基四算法比基二算法快，并且頻率抽取算法比時間抽取算法能更好的發(fā)揮單片機并行運算能力，所以采有基四頻率抽取算法（6）聲強計算及泄漏量估算子程序（7）顯示子程序設計顯示子程序完成符號、數(shù)值的顯示輸出。顯示子程序聲強計算及泄漏量估算子程序FFT變換子程序FIR濾波子程序A/D采樣子程序鍵盤掃描子程序開 始單片機系統(tǒng)初始化LCD初始化A/D轉換初始化濾波器系數(shù)初始化FFT旋轉因子初始化圖4-1主程序流程圖第五章 電路