基于单片机的蓄电池电解液比重测量系统设计

基于单片机的蓄电池电解液比重测量系统设计内容摘要：

的是压电式超声波换能器 ，它 是利用压电材料的压电效应原理来工作的。 利用逆压电效应的原理将高频电脉冲转换成高频机械振动，从而产生超声波。 当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。 压电式超声波传感器可以产生几十千到几十兆赫兹的高频超声波。 在晶体表面极板上 施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆压电效应。 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分单晶材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英、硫酸锂、铌酸锂等。 常用的多晶材料有钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅等，多晶材料又称压电陶瓷。 当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。 压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。 压电材料的性能决定着其测量精度的高低，对压电材料的选取起着至关重要的影响，下面分析一下压电材料主要性能参数 ： (1) 压电应变常数 d33： 表示在压电晶体上施加单位电 压时所产生的应变大小。 此参数是衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数，其值越大，发射性能越好，发射灵敏度越也高。 (2) 压电电压常数 ： 表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。 33 ( / )td m vU (23)8 佳木 斯大学信息电子技术学院 此参数是衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数，其值越大，接收性能越好，接收灵敏度也越高。 (3) 介电常数 ε： 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数 ε 愈大，电容 C 也就愈大，即电容器所储存的电能就愈多。 因此，根 据不同的应用要求选用不同的介电常数 ε。 超声波测量比重用的压电晶体频率要求较高， ε应选择小一些，因为 ε越小， C 越小，电容器充电时间短，频率高。 (4) 机电耦合系数 K： 表示压电材料的机械能 (声能 )与电能之间的转换效率。 式 26 中， K 代表机电耦合系数，即转换能量与总能量之比。 (5) 机械品质因子 θm： 其中，压电晶片在谐振时储存的机械能 E 储存与在一个周期内损失的能量 E 之比称为机械品质因子 θm。 压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的， θm值对分辨力有较大的影响， θm值越大，表示损耗越小，晶 片持续振动时间越长，脉冲宽度越大，分辨力越低。 反之，θm值越小，表示损耗越大，脉冲宽度越小，分辨力就越高。 (6)频率常数 Nt： 其中，压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数，用 N0来表示。 晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率愈高。 (7) 居里温度 Tc： 是压电材料的压电效应消失的温度。 超声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。 为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利 地入射到被测介质中。 在工业上，经常使用一种称为耦合系数33 ( / )pUg V m NP= (24)tCAe= (25)K = 转 换 的 能 量输 入 的 能 量 26（ ）m EEq = 存 储损 失27（ ）Lt0 CN tf 2== （ 常 数 ） 28（ ）9 佳木 斯大学信息电子技术学院 的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。 随着科技的进步，坚固耐用、有精确感应能力的超声波传感器逐渐被人们所认同，相对其他传感器而言，超声波传感器可以更加简单、灵活，性价比更高。 这些新增的特性拓展了一个新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。 为工业领域提供了一个新的、极具创造性的解决方案。 超声波传感技术应用领域广泛，在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。 过去，许多技术因为无法探测到物体内部而受到阻碍，超声 波传感技术的出现改变了这种状况。 在医学方面，超声波传感器主要用于诊断疾病，它已经成为临床医学中不可或缺的诊断方法。 当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上， “悄无声息 ”地探测人们所需要的信号。 在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 超声波测量比重的工作原理 超声波测量液体的比重是利用超声波的声速随液体比重的变化而变化这一物理性质来检测的。 超声波换能器接收由振荡电路输出的规则电压方波信号，经过超声波传感器的换能器，引起压电换能器发 生机械振动，并经由压电换能器将超声波发射出去。 当发射换能器放入被测量的液体中时，由发射换能器发射出的机械振动就能使被测液体发生受迫振动，另一侧的接收换能器接收到被测液体传递过来的能量，从而使得接收压电换能器里面的谐振片产生共振，经过接收电路把接收到的机械信号转变为电压脉冲信号，再由后面的运算放大器放大、比较器比较整形和相应的滤波电路的滤波，最终将产生的规则的信号传送单片机的中断，经单片机处理后显示出被测液体的比重值。 图 22 为 工作原理框图，给出了各部分的衔接。 发 射 驱 动单 片 机接 受 驱 动接 受 换 能 器发 射 换 能 器超 声 波 图 22 工作原理框图 10 佳木 斯大学信息电子技术学院 利用超声波换能器测量液体的比重，所依据的基本原理是超声波的传播速度随液体比重的变化而变化。 在同种介质中，除去温度的影响外，传播速度主要受比重因素的影响。 在 S=vt中，由于速度主要与比重有关，当把传播距离也即声程固定之后，比重只与传播时间有关系 ；当把多组固定比重的液体测量出所对应的传播时间后，可以通过数学的方法来拟合出比重 ρ与传播时间 t 的关系，再把这个关系写入程序中，由此可得到所测量液体的比重。 当超声波沿横轴方向传播时，其波动方程为 ： 其中， ξ 表示横轴距离， t 表 示时间， x 表示横轴方向。 液体中传播的声速 C 可表示为 ： 其中， c， V， ρ， P 分别为液体中的传播声速，摩尔体积，密度和压力。 多元液体混合液的声速表达式为 ： 其中， x x2表示各自液体摩尔量， c1， c2表示各自的摩尔质量。 由以上论述可知对于混合液体的比重也是有理论依据的，所以也可以得出相应的传播介质的传播速度，这为本课题的实际测量 奠定 了理论基础。 超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压随液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地做周期性的变化，形成疏密波，利用超声光栅对不同 比重 的 液体进行测量，然后根据测量结果进行数据拟合，得到 的 超声波传播速度与液体 比重 的关系式 如下： 其中 y 为液体比重， x 为超声波传播时间。 超声波测量比重的硬件要求 系统的硬件电路包括发射部分、接收部分、单片机控制部分和温度补偿部分。 系统对接收电路的要求主要有以下几个方面 ： 探头工作频率为 1MHz～ 10MHz，常用频率为 5MHz 以222Ctxxx抖 =抖 (29)2 ()Vc VPr 182。 = 182。 (210)1 1 2 21niiic x c x c x c== = +229。 (211)2y =7 51. 11 824 .94 4x+ 282 .81 2x212（ ）11 佳木 斯大学信息电子技术学院 下，系统衰减量为 0dB～ 120dB，连续可调，动态范围为 30dB 以上，最大增益时的噪声为 10%以下。 另外，低功耗是系统对 接收电路的基本要求，因为接收电路是除了显示单元之外的功耗大户。 图 23 给出了功能模块框图，其中运算放大电路采用两级放大，比较器部分选用单限比较器，温度传感器作为对实际温度的温度补偿，单片机控制发射和接收的传播时间差。 测 温 电 路发 射 电 路晶 振 指 标 计 时 门发射换能器接收换能器放 大 器比 较 电 路整 形 电 路单片机超 声 波 图 23 功能模块框图 发射部分 发射电路主要由 晶振、分频电路、推挽电路、功放电路组成，供电电源有 5V、12V 两种。 晶振发出的 的方波信号，通过两个同型号三极管的甲乙类推挽实现功率的放大，因为要驱 动探头正常稳定的工作，就要使功率和频率达到一定值。 由于要求输出的方波信号稳定可靠，所以要经过很多辅助电路，以保证发射驱动方波脉冲的稳定可靠。 接收部分 接收电路主要包括耦合、放大、比较、整形、检波滤波。 具体来讲就是前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检测、施密特整形输出电路。 由于接收换能器接收的信号比较微弱 (只有几十毫伏 )，通过放大电路将其电压信号进行放大，本系统选用 LF357 进行了两级放大，放大倍数接近 400 倍，放大后的电压信号经过检波二极管和电容组成的检波的电路后变为较简单的电压信号波形，在 经过 LMll9 型号的比较电路转换成比较规则的方波信号，此信号经过12 佳木 斯大学信息电子技术学院 耦合器送入到单片机，作为触发的中断信号。 单片机控制部分 单片机控制电路的主要功能是控制发射电路的发射、计数、计算和修正液体的比重。 本系统选用 MSP430FG4619 型号的单片机。 当单片机发射信号给发射电路 时启动 计时， 而在 单片机接收到接收电路的电压信号时，产生中断，计数停止。 其中，要求有精确的延时，以满足测量精度的要求。 计数器采用的是单片机的内部计数器 ( 晶振 )。 通过计数器所计数值，便可计算出超声波在液体中的传播时间， 进而计算出液体的比重。 温度补偿部分 在铅酸蓄电池内部，当放电发生时，电池内部的温度也会随之变化。 温度对蓄电池的影响主要是 ： 电解液温度高时，其扩散速度增加，电阻降低，电池电动势也略增加，因此在一定范围内蓄电池的容量随温度增加而增加。 根据化学热力学原理，环境温度过高，铅酸蓄电池放电深度越大，电解液密度越高，板栅腐蚀越剧烈，储存时间愈长，腐蚀层愈厚。 伴随着板栅腐蚀而产生板栅变形拉伸，其结果使板栅抗强度变小。 活性物质脱落，当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时，板栅电阻增大，是蓄电池容量下降，直至蓄电 池失效。 在前面的分析中得知，温度在铅酸蓄电池中变化的幅度比较大，对超声波传播速度影响也比较严重，通常情况下，被测液体的温度每变化 1℃ ，超声波的传播速度会变化 %左右。 而在实际的使用环境中，温度波动很大，因此利用超声波测量液体的比重，为了提高测量的精度势必要对被测液体进行温度补偿。 温度补偿的方法很多，其中最经济简单的方法是温度实测补偿法，由于声音 传播 速度在不同的温度下有所不同，所以本文选用一种感温器件测量温度来实现声速简单补偿的方法。 本系统选用单线数字式温度传感器芯片 DS18B20 作为温度传感器，由此 温度传感器采集到的温度信号经运算放大器后直接送入单片机内部，在单片机内部进行温度补偿的计算。 它较之传统的热敏电阻，能够直接读出温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12 位的数字值读数方式，因此精度很高，满足系统的温度补偿要求。 超声波测量比重的软件要求 13 佳木 斯大学信息电子技术学院 本系统的软件系统采用了 MSP430FG4619 的单片机作为核心元件，所有的信号都经过单片机的处理与运算，最终产生出所测量的结果。 本系统的软件设计采用模块化设计，包括主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序、温度补偿子程序以及显示子程序 ， 其 中最重要的是对发射信号的控制及接收测量的时间控制。 本系统中设置了两个置位复位开关 SW1 和 SW2，由单片机控制双 D 触发器 CD4013 的 4引脚接入单片机的 引脚，连续发射方波脉冲信号并启动定时器 TA，同时发出允许方波信号驱动超声波发射换能器。 在接收电路中，经过两级运算放大器的放大进入比较器，再经过比较器的比较整形电路，出来的规则的方波信号进入单片机的 中断引脚，当接收到信号后计时器停止工作，并记下在介质中的传播时间，这样依次测量 各 组脉冲的传播时间，去掉最大和最小值，并计算一组方波脉冲传播的平均值， 经过 计算 后得到比重值。 本章小结 本章首先介绍了开口式铅酸蓄电池的工作原理和超声波换能器的情况，并对其进行了分析，在此基础上提出系统的总体设计方案，给出总体原理框图。 对硬件部分逐项提出设计要求，分别确立系统对每一部分的要求，并根据最终目标实现提出软件方面的具体任务和实现方法。 具体来讲，对传感器要考虑如下几个方面 ： (1) 根据测量的对象和环境来确定传感器的类型。 本文选用压电、非一体式超声波换能器组成超声波传感器。 (2) 灵敏度的选择。 在传感器的线性范围内，希望灵敏度越高越好，因为灵敏度 越高 时，被 测 液体 比重值发生变化 时 对应的输出信号值 越大 ， 越 有利于信号的处理。 (3) 频率响应特性。 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围 内 保持不失真，实际传感器的响应总有一点延迟，因此我们希望延迟越小越好。 (4) 线性范围。 由于在实际应用上，任何传感器都不能保证绝对的线性，因此我们认为在一定范围和误差允许的范围内，近似地看作线性变化。 (5) 稳定性。 要求所选用的传感器的性能稳定，满足测量比重的要求。 (6) 精度。 由于本文采用超声波传感器测量蓄电池电解液的比重，对精度要求很高，因此要选用精。