（优秀毕业全套设计）基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计（整套下载）

因此该部分介绍详见后面的存储模块章节。

超声波发射模块超声波的发射和接收是超声波流量计系统的重要组成部分，而发射传感器的发射信号直接影响接收信号的好坏，除了要求超声波传感器性能优良外，与之配套的发射电路的设计也非常重要。

超声波触发方式可分为单脉冲触发脉冲群触发和连续脉冲触发。

根据超声波流量计系统的特点，我们选择脉冲群触发的方式。

而选择脉冲群触发的方式，每组脉冲群中包含的脉冲个数是要考虑的，脉冲数量多，由于叠加使超声波信号的能量增大，这样益于换能器的接收。

但是脉冲数量越多，连续两次测量间所需的时间间隔就越大，否则会造成接收信号的无法分辨，般的文献中是建议取个脉冲，但是根据实际实验和计算，我们采用每组个脉冲的群脉冲触发方式。

图.超声波发射模块由于汽车发动机的主供油管路的直径很小，所以本系统设计为小口径的管路超声波流量计，因此我们并没有采用传统的使用大功率场效应管和变压器产生高压脉冲的方式来激励超声波换能器，而是使用双通道的高速金属氧化物半导体场效应晶体管驱动器，以低压方式来激励换能器，激励电压为。

使换能器发出的超声波作为测量用。

单片机送出的脉冲经过芯片反向缓冲器驱动器，的电平转换来驱动换能器发送超声信号。

能够给高电容负载提供高达的峰值电流。

如图.所示，为上拉电阻。

当需要发送高电平的信号时，开关选择，这时需要将信号电平转换来满足要求。

的输入为非三态的，二极管是为防止在停止发送后，信号会通过的输入段漏掉。

图.是激励电压的波形，可以看到其波形稳定，上升沿陡峭，实验表明该电路在低压下能较好的激励超声波换能器。

图.超声波换能器激励电压波形超声波接收及后续处理模块该部分电路负责将换能器接收到的超声信号进行放大滤波和比较。

信号处理电路的要求很高，其中过零比较电路产生计数结束信号直接影响最终计时结果的精度。

.接收及放大电路通过前面超声波换能器的介绍，我们知道超声波信号的接收利用的是压电元件的正压电效应，将超声波信号转换成电信号。

本系统中超声波的发送和接收用的是同个换能器，所以超声波换能器不仅与发射电路连接还与接收电路连接，图.是超声波接收及放大电路部分原理图。

，两个二极管为硅管，作用非常重要，在换能器作为发射用时，将集成运放输入端的电压钳制在最大的.，对放大电路起到保护作用。

电阻起限流作用，需要较大额定功率。

模拟开关四双向模拟开关在发射端发射完毕后个特定时间打开，允许接收信号进入后续放大处理电路，以避免由于干扰信号引起的计时结束误判，并且实现对放大电路的二级保护作用。

的通断由输出的开关量控制。

图.信号接收放大电路模块放大电路中采用的是宽带双运算放大器。

是使用德州仪器公司互补双极增强工艺制造的低噪声高性能高速内部补偿输入运算放大器。

它把低噪声和良好的输出驱动能力高转换速率和宽带宽组合在起，完全满足系统设计的需要。

中有两个运算放大器，构成了两级负反馈放大电路。

接收换能器把接收到的超声脉冲转化成比较弱的电信号，经两级负反馈放大电路，使信号达到电路能够处理的信号的要求。

下图是参考的经过放大后的接收信号。

图.经放大后的超声波信号.滤波电路接收到的超声波信号通过前置放大电路后，信号与噪声同时被放大，高品质因数的带通滤波器的引入可以保留所需频率的信号，削弱其他的噪声部分，为后续电路提供高信噪比的信号。

本系统采用公司的连续时间模拟集成有源滤波器芯片对信号进行带通滤波。

由两个独立的二阶节组成，每个二阶节可以通过外面电阻的调节实现，型带通或低通滤波器。

与开关电容滤波器相比表现出低噪声以及连续时间范围内出色的动态性能。

由于不需要时钟，也就不存在时钟噪声。

中心频率高达，精度为士.，整个工作温度范围内的典型值为。

的操作电压为或者士。

利用设计滤波器非常方便，以本系统所需的带通滤波器为例，我们需要中心频率，带通滤波器的增益为，设计值为，则带通滤波器的带通宽度为.。

当中心频率值及增益确定后，可由下面的公式得到其中，的值是由管脚的连接方式决定的，在此将管脚接地，的值取，考虑到电阻选择的可行性，我们取，推导计算品质因数。

这里需要注意的是，外接电阻的取值为。

这样既能驱动运放又不会产生较大的寄生电容。

所以外围电阻的取值为外围电路的连接如图.所示。

我们通过两个二阶节的级联构成了个四阶巴特沃斯低通滤波器型带通滤波器。

相比使用的运放和，电路组成的普通滤波器，使用四阶和八阶连续时间有源滤波器解决了计算复杂，参数难调整，寄生电容的干扰以及品质因数值难做高等问题。

图.四阶带通滤波器电路.采样选通部分设计思想计数器的计数准确度是超声波流量计测量精度的关键因素，准确的打开和关闭计数器相当重要，此采样选通部分就是为了避免由噪声和换能器拖尾信号对计数停止信号的产生带来的影响。

通过由运算放大器组成的幅值电平跟踪电路，确认正确收到了超声波信号，从而选通过零比较电路以产生计数器停止信号，原理图如图.所示采样选通电路主要由模拟开关四双向模拟开关运算放大器和比较器组成。

电路中，分别为储能电容，其中，分别为超声波换能器的触发电路中的储能电容。

图.中只画出了换能器采样选通模块原理图并以换能器的采样选通模块电路原理为例。

说明其它各个换能器的工作原理。

如图.所示由运放构成幅值采样电路，将前次接收到的幅值保存并与本次的比较。

为单稳脉冲展宽电路。

图.超声波换能器采样选通模块原理图峰值采样以主油路超声波换能器触发信号为例。

通过中由定时器组控制输出的开关量信号作为模拟开关的控制信号，以此来协调采样电路的工作。

的时序可以说明峰值采样电路的工作流程图.主油路峰值采样电路工作流程图对应路的储能电容放电，路的储能电容放电。

对应路对接收到的信号进行峰值采样，并将采样的值通过电容保存。

同时路将保存的上次采样的峰值传递给。

对应路的储能电容放电，路的放电。

对应路将中保存的峰值传递给，同时路对接收到的信号峰值采样，并将采样值保存在。

过零比较电路选通信号的形成由于管道中的流体流速的变化，接收到的信号包络幅值也会变化，但是由于幅值变化是个连续的过程，所以可以用上次接收信号的峰值与本次的比较。

本轮收到的超声波信号与保存在储值电容中的上轮接收信号的幅值进行比较，产生过零比较电路中比较器的选通信号。

实际中的比较电平，通过可调电阻分压调节，这里比较关键的点是，保证比较电平的增益与放大电路出来的信号增益相同，这需要通过实验调节，由于计数器的打开时间是触发群脉冲的第个脉冲产生的时间，但是这里关闭计数器的时间是峰值电压附近，这样就有误差，需要在最后计算中减去接收信号峰值前面几个波形的时间以保证计时的准确性，通过实验研究，我们是以第四个脉冲作为计数的停止信号。

对放大器出来的信号比较得到的是脉冲信号，为了选通过零比较电路中的比较器高度比较器，通过个单稳脉冲展宽电路双通道可再触发精确单稳态多频振荡器可将脉冲展宽将第个脉冲展宽。

脉冲展宽的宽度由和的乘积决定。

实际电路中为，为，展宽后脉冲宽度为。

图.是芯片工作前后的波形图的对比情况。

图.的工作波形过零比较电路利用展宽后的脉冲去选通电路中比较器高速比较器，比较器此时输出个脉冲信号，脉冲下沿触发计数器使之停止计数。

为排除噪声的影响比较器的门槛电压由通态特性的近似直线与电压轴的交点所得出的电压值不能选择理想，而拖尾信号已经在前次比较中消除了，不会再影响后续比较电路，所以本系统中电压比较模块的门槛电压选择.。

图.结构示意图比较器选用的是是由公司生产的双组高速低功耗高精度电压比较器。

片内有两个独立的比较器，如图.所示。

该器件传播速度快典型值为，功耗低单个比较器工作电流为，每个比较器均有独立的锁存使用功能，工作电压为或者。

它与其他高速比较器的不同之处在于，当接收缓慢移动信号时，仍能保持稳定。

发射接收切换电路这部分的作用是使两个探头在发射接收之间切换，并且使两个探头电路之间的连接更为节省硬件资源。

作为对模拟信号的切换，切换电路的设计有三种方案用继电器进行切换二采用分离元器件三采用模拟开关。

为节省成本以及使结构简单，通过分析比较，所以本设计暂时采用使用模拟开关来实现。

其控制信号与采样选通部分的样由可编程逻辑阵列定时器组输出的开关量信号来控制。

在系统设计时，为了使发射和接收信号便于测试和调整，两只换能器各配备了套收发电路。

实时时钟看门狗及数据存储模块流量计系统需要数据存储模块来保存累计流量数据等数据，并且在系统发生意外掉电的情况下保证数据不丢失，流量计算所需的重要参数也保存在其中，方便系统调用。

图.接口电路正如上文“看门狗电路的初设计”中提到的为简化设计电路和硬件成本等问题，本次油耗仪器的设计中我们选用了美国公司的铁电存储器芯片进行数据存储模块的设计。

主要功能包含铁电非易失性存储器实时时钟低电压复位看门狗计数器非易失性事件计数器可锁定的串行数据标识和个用于电源失效中断输出的通用比较器。

这个高度集成的器件，可以取代多个元件，达到简化设计提高系统稳定性的目的。

其操作电源范围为.，引脚封装，低至的静态工作电流。

实际设计中，我们使用了的非易失性存储器实时时钟看门狗包括电源监视几个部分功能。

的操作十分简单，通过三根线即可实现上述功能的操作，其接口电路如图.所示，采用二线制串行接口，与单片机的接口非常简单连接单片机两口，通过单片机的口模拟时序对进行读写操作，进行数据的存储，铁电存储器的高速高效存储原理可以保证数据存储的有效进行。

其中对指定区域的写保护功能可以实现对重要参数的保护。

的实时时钟由晶振，分频电路和寄存器构成，它对.的时基信号进行分频，分辨率为。

图中的的电容的作用是实时时钟的临时后备电源。

引脚经过电阻分压后与.电源相连接，由分压电阻调节比较电平，本设计的油耗仪器系统中比较器将引脚电压与参考电压进行比较，当监测到端的电压低于这个值时，引脚将被置低，通过单片机引脚.通知单片机。

液晶显示模块显示器的选取显示器主要有数码管显示和液晶显示两大类。

当系统需要显示少量数据时，采用数码管进行显示是种经济实用的方法。

显示器价格比较便宜，但其功能比较单，在般情况下只能显示数字，而不能显示汉字。

液晶显示器不但能够显示数据，还能显示文字和图形，其显示效果远远超过数码管。

液晶显示器具有功耗低抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。

笔记本电脑手机和计数器上采用的都是液晶显示屏幕。

液晶显示器是点阵液晶模块的点阵数简称。

的基本参数模块显示效果黄绿底黑字蓝底白字白底黑字三种显示效果视角为点钟点钟工作温度储藏温度点阵格式连接方式针与控制器连接基本用途该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。

控制器的选取本系统中显示模块采用的是了公司生产的型双排段码式控制器。

是点内存映象和多功能的驱动器，其的软件配置特性使它适用于多种应用场合，包括模块和显示子系统，且操作控制简单，其主要特性如下操作电压内置振荡器，也可使用外部.晶振或外部时钟源模式可泽低功耗内置位显示线串行接口读写地址自动增加储存温度工作温度。

与单片机之间的接口电路如图.所示，为片选信号，低电平有效。

端外接上拉电阻，在其输入信号上升沿，线上数据写入。

为串行数据输入输出端口。

的读写操作我们将在后续章节讨论。

图.控制器引脚图键盘模块按键的分类般来说，按键按照结构原理可分为两类，类是触点式开关按键，如机械式开关导电橡胶式