兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
由D/A转换器和电压调整电路构成的。
D/A转换器选用带有缓冲基准输入(高阻抗)的10位电压输出数模转换器( DAC) TLC5615，DAC具有基准电压两倍的输出电压范围，且DAC是电调变化的。器件使用简单，用单5V电源工作，功耗低，具有上电复位功能以确保可重复启动。器件的更新频率可以达到1.2MHZ，典型建立时间为12.Sμs，并且在温度范围内保持单调性。CPU 根据上一次A/D转换器测得的电压值计算出本次测量时D/A 转换器应该补偿的电压值，通过与TLC5615的串口将数据传送给D/A转换器，然后D/A转换器将其转换为模拟电压输出。这个电压经过电阻分压后在运算放大器的同相端产生一个电压，再经过运算放大器放大输出，这样就得到了 AD603增益控制端的电压，从而起到调节放大电路增益的目的，实现信号放大的自动增益控制。 5) 电压比较电路
正确地确定超声波接收信号的到达时刻是整个电路中一个很关键的地方，它
直接影响到超声波传播时间的测量精度。在这里，我们采用了电压比较电路对接收到的信号进行有效性检验，利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点、
?0.2V处进行检测。电路主要由高精度的过零比较器MAX913和高速双路电压比较器MAX902组成。由过零比较器可得到过零点信号；由双路电压比较器可得到过+0.2V 和-0.2V 信号，这三个输出信号最后都送到单片机进行逻辑控制。其电路见图24所示： 图24 电压比较电路
31
兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
6) 切换控制电路
图24 电压比较电路
该部分的作用是用来完成两个超声波探头和发射、接收电路的切换的。作为对模拟信号的切换，可以有以下两个方案： ①
采用模拟开关。模拟开关的开关频率高，对信号的影响比较小，但由于切
换的双方是接收到的微弱的超声信号和用于发射的高压信号，难以找到既能够承受高压又能使得传输的微弱信号失真较小的芯片； ②
用继电器进行切换。当信号接通后，由于继电器实际上就是导线，所以不
存在信号失真的现象，并且还能完成信号的隔离。但继电器的开关频率有限，而且有一定的总开关次数限制，一般在100万次；
鉴于以上原因，我们暂时选用了继电器方案，选择2个直流电压控制的固态继电器实现换能器的发射、接收转换。在实际电路中，我们采用了74LS138来对从单片机送达的控制信号进行译码，决定该接通哪一个继电器。例如，如果接通继电器 1，因为继电器1连接着换能器T1和T2，其中T1与发射电路相连，而T2与接收电路相连，这样T1就成为了发射换能器，T2成为接收换能器，这时通过继电器的“导通”和“关闭”，就决定了换能器的状态，所以继电器起到了“收发切换开关”的作用。一般的数字电路的输出是不足以驱动固态继电器的，为此，我们还选用了74LS06通过上拉电阻来为继电器提供足够的电流来对其进行操作。
4.3 信号采集及控制电路
4.3.1 单片机的选择
32
兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
信号采集与控制电路的核心部件是单片机，主要完成发超声波命令，并且使测量模块的各部分协调工作，处理测量信息和各部分的状态信息。本设计采用的是89C51。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要有以下显著特点 ： ·4KB 可改编程序FLASH 存储器，可经受1000 次的写入/擦写； ·全静态工作：0Hz～24MHz ； ·3 级程序存储器保密； ·128×8 字节内部RAM ； ·32 条可编程I/O 线； ·2 个16 位定时器/计数器； ·6 个中断源； ·可编程串行通道； ·片内时钟振荡器。
4.3.2 电路设计
控制技术部分电路主要完成以下控制功能：
⑴控制超声波换能器的切换并触发换能器的第一次超声波发射； ⑵接收电路范围门的控制；
⑶控制计数电路的工作时序并从锁存单元读取计数值。
具体电路如图25所示，单片机的P1.0口发出低电平方波，可控制触发器、计数器以及分频计数器的复位、清零，并使关闭。P1.1输出一个短时间的高电平方波，通过门电路去触发超声波的第一次发射，同时触发触发电路，于是计数电路开始对晶振电路输出的高频方波计数，当脉冲个数达到预定值时，关闭触发器，计数电路停止计数并将计数值所存到74ls245中，然后单片机通过P0口将所存值读入，就可根据上位机的操作做相应处理。
4.4 信号处理及人机接口电路
信号处理和人机接口电路主要实现对数据的处理和整个流量计的控制，它有
单片机89C51外加辅助设备组成。
4.4.1 数据存储电路
超声波流量计作为仪表，必须需要及时的对测量结果流量或者流速的数据进
行存储，还要存储流量计的各种参数，包括换能器的频率、管径、声路角、修正系数、计算公式等。考虑到存储器在存储空间、存取速度、接口上的要求，我们选用 Flash 存储器 AT29C010A 芯片作为本系统的存储器。
33
兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
图25 控制计数部分示意图
AT29C010A的特点：AT29C010A是在线快速编程和可擦除的只读存储器，具有大容量、小扇区，操作速度快，电路设计灵活，无需在数据写入前进行预擦除等优点。它的存储容量为128KB，共有1024个扇区（每个扇区128字节），片内含地址和128字节数据锁存器，按扇区进行编程操作，编程和擦除可一次完成，重复编程高于10000次；快速读取时间70ns；单5V电源供电，5V编程；低功耗，即工作电流50mA，空闲电流100μA。
AT29C010A存储器与单片机的硬件接口电路图如图26所示，用 AT89C52 的P0 口作为存储器的数据输入/输出端，通过P0口经74HC373输出低8位地址，P2 口和8155的PB6输出端作为存储器A8～A16地址，CE接ALE，WE接P3.6，OE接 P3.7。用 AT89C52 内部RAM(80H～FFH)作为数据缓冲区存放要写的数据。设定扇区地址为00000H～007FH 和00080H～000FFH。
34
兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
图26 AT29C010A 硬件接口电路
4.4.2 键盘显示电路
根据硬件设计思想，在使用超声波流量计进行测量前需要设定一定的参
数，这就需要一个键盘阵列来实现这种人机对话的功能。连接原理图如下图27所示：
图27按键显示电路
4.4.3 时钟电路
DS12887
是美国达拉斯半导体公司最新推出的时钟芯片，采用CMOS技术制
成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，同时它与目前 IBM AT计算机常用的时钟芯片MC146818B和DS1287管脚兼容，可直接替换。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口DS12887芯片具有微轼耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各
35