超声波回波衰减理论浓度计设计

　　1 理论分析

　　超声波在悬浮液中传播时，与悬浮粒子相遇的超声波在界面被散射衰减，其余部分入射到粒子内被吸收衰减，接触界面的超声波又受到粘滞衰减，最后到达接收端。各种衰减的机理是很复杂的，但都是由悬浊粒子所引起，并与悬浊粒子的数目成比例，故在一定条件下衰减是和浓度成比例的，测知悬浮液的声衰减系数，就能求出浓度。设液体中有悬浮粒子时的衰减率和接收电压分别为(a0+ax)和E。，液体中没有悬浊粒子时的衰减率和接收电压分别为a0和E0，发射、接收端之间的距离为L，发射电压为Er，则：

　　根据上述两个公式，悬浊粒子引起的衰减率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得。

　　由接收探头接收到的声波幅度将随悬浮液浓度的增加而衰减，声波幅度转换成的电压值也随浓度的增加而衰减，该浓度一电压衰减曲线经过标定后，即可从测量电压得到浓度值。

　　2 硬件设计

　　如图1所示，整个系统以超声波发射和接收电路为核心，采用直接数字频率合成芯片AD9833产生脉冲串，经过功率放大电路驱动超声波换能器，超声波经过悬浊液到达接收换能器，利用92 dB对数放大器AD8307对回波衰减信号进行对数放大，最后由微控制器对数据进行处理得出浓度值。系统还包括键盘、显示、参数存储、开关量输出、继电器输出、电流输出、UART通信等部分。

　　2.1 主控芯片电路

　　本系统以美国Silab的高速混合信号ISP Flash微控制器C8051F021为核心。衰减法超声波浓度计在超声波发射和接收的时序上需要精确的控制，这不仅需要处理器的速度快，而且需要多个定时器;由接收单元返回的是低于2.5 V的电压信号，需要经过精确的A/D采集转换成数字信号传递给CPU处理。C8051F021的特点如下;

　　①高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MIPS)。

　　②12位的片上SAR ADC，可编程转换速率，最大100 kbps，可编程放大器增益。

　　③4 352字节内部数据RAM，64 KB Flash存储器;可以在系统编程。

　　④5个通用16位计数器、定时器阵列，硬件SMBus、SPI及2个UART串口。

　　⑤功耗低(10 mA@20 MHz)，多种节电休眠和停机方式。