超聲波回波衰濺理論濃度計設計

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被吸收衰減，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減，最后到達接收端。各種衰減的機理是很復雜的，但都是由懸濁粒子所引起，并與懸濁粒子的數目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的，測知懸浮液的聲衰減系數，就能求出濃度。設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(cháng)，發(fā)射電壓為Er，則：

根據上述兩個(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(xiàn)經(jīng)過(guò)標定后，即可從測量電壓得到濃度值。

2 硬件設計
如圖1所示，整個(gè)系統以超聲波發(fā)射和接收電路為核心，采用直接數字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串，經(jīng)過(guò)功率放大電路驅動(dòng)超聲波換能器，超聲波經(jīng)過(guò)懸濁液到達接收換能器，利用92 dB對數放大器AD8307對回波衰減信號進(jìn)行對數放大，最后由微控制器對數據進(jìn)行處理得出濃度值。系統還包括鍵盤(pán)、顯示、參數存儲、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
本系統以美國Silab的高速混合信號ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計在超聲波發(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，需要經(jīng)過(guò)精確的A／D采集轉換成數字信號傳遞給CPU處理。C8051F021的特點(diǎn)如下；
①高速、流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25 MIPS)。
②12位的片上SAR ADC，可編程轉換速率，最大100 kbps，可編程放大器增益。
③4 352字節內部數據RAM，64 KB Flash存儲器；可以在系統編程。
④5個(gè)通用16位計數器、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)，多種節電休眠和停機方式。
2．2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
直接數字頻率合成器(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(xiàn)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，用于增強信號帶負載能力。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EN在與非門(mén)的作用下，在與非門(mén)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超聲波換能器進(jìn)行驅動(dòng)。