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礦用風(fēng)速傳感器的設(shè)計(jì)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）
題
姓
學(xué) 明 書） 目： 名： xxx 號：
年 12 月 9 日
（說
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 任 務(wù) 書
姓名 xxx
專業(yè)
任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 2 年 9 月 19 日
設(shè)計(jì)（論文）開始日期 2 年 9 月 26 日
設(shè)計(jì)（論文）完成日期 2 年 12 月 9 日
設(shè)計(jì)（論文）題目： 礦用風(fēng)速傳感器
A?編制設(shè)計(jì) B?設(shè)計(jì)專題（畢業(yè)論文）
指 導(dǎo) 教 師
系（部）主 任
20 年 12 月 9日
院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)記錄
自動(dòng)化與信息工程 系應(yīng)用電子線路（設(shè)計(jì)與應(yīng)用方向）專業(yè)，學(xué)生 xxx
于 20 年 12 月 日進(jìn)行了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯。
設(shè)計(jì)題目： 礦用風(fēng)速傳感器 專題（論文）題目： 礦用風(fēng)速傳感器 指導(dǎo)老師：
答辯委員會(huì)根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，
經(jīng)答辯委員會(huì)討論評定，給予學(xué)生 xxx 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績
為 。
答辯委員會(huì) 人，出席 人
答辯委員會(huì)主任（簽字）： 答辯委員會(huì)副主任（簽字）： 答辯委員會(huì)委員： ， ， ， ， ， ，
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評語
第 頁
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）及答辯評語：
目錄
摘要 ....................................................................................................................... 1
第1章 礦用風(fēng)速傳感器概述 ........................................................................... 2
1.1礦用風(fēng)速傳感器的作用 ............................................................................................... 2
1.2礦用風(fēng)速傳感器的安裝位置 ....................................................................................... 2
1.3礦用風(fēng)速傳感器的技術(shù)指標(biāo) ....................................................................................... 2
1.4礦用風(fēng)速傳感器的分類 ............................................................................................... 2
1.5測風(fēng)方法 ....................................................................................................................... 3
1.6測風(fēng)注意事項(xiàng) ............................................................................................................... 4
1.7 各類傳感器性能比較 ................................................................................................. 5
1.8超聲波風(fēng)速傳感器的主要特點(diǎn) ................................................................................... 6
第2章工作原理及設(shè)計(jì)方案 ......................................................................................................... 7
2.1工作原理 ....................................................................................................................................... 7
2.1.1卡曼渦街原理 ................................................................................................................... 7
2.1.2超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器工作原理 .......................................................................... 8
2.2設(shè)計(jì)方案 ....................................................................................................................................... 9
第3章各部分電路設(shè)計(jì) ..................................................................................................................11
3.1電源電路的設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 11
3.2發(fā)射電路設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 12
3.2.1電感三點(diǎn)式振蕩器 ........................................................................................... 12
3.2.2乙類推挽功率放大電路 ................................................................................... 14
3.2.3 相關(guān)的計(jì)算 ...................................................................................................... 15
3.3超聲波發(fā)射/接收電路 ............................................................................................... 16
3.4接收電路的設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 17
3.4.1 中頻放大電路 .................................................................................................. 17
3.4.2 檢波電路 .......................................................................................................... 18
3.4.3低頻放大電路 ................................................................................................... 19
3.5整形電路的設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 21
3.6頻率-電流裝換電路的設(shè)計(jì) ....................................................................................... 22
3.7顯示電路的設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 23
第4章 風(fēng)速傳感器的應(yīng)用 ......................................................................................................... 29
4.1使用前的準(zhǔn)備 .............................................................................................http://www.szmdbiao.com............................... 29
4.2 傳感器接線 ................................................................................................................ 29
4.3 風(fēng)速傳感器使用注意事項(xiàng) ........................................................................................ 30
4.4 維護(hù)與保養(yǎng) ................................................................................................................ 30
結(jié)束語 ................................................................................................................. 32
致謝 ..................................................................................................................... 33
參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 1
附錄 ....................................................................................................................... 2
摘要
礦用傳感器是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的“耳目”，它用于監(jiān)測煤礦環(huán)境參數(shù)與生產(chǎn)過程參數(shù)，將各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號。
煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)是煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的重要保證。世界各主要產(chǎn)煤國對此都十分重視，研制、生產(chǎn)和推廣使用了環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、供電、排水、礦山壓力、火災(zāi)、水災(zāi)、煤與瓦斯突出、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況等監(jiān)控系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，增強(qiáng)了礦山安全。
隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)的發(fā)展和在煤礦的應(yīng)用，為適應(yīng)機(jī)械化采煤的需要，礦井監(jiān)控系統(tǒng)由早期的單一參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展為多參數(shù)單方面監(jiān)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均針對某一方面的多參數(shù)監(jiān)控，這包括環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)、軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、提升運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、排水監(jiān)控系統(tǒng)、礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、水災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、煤與瓦斯突出監(jiān)控系統(tǒng)、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況監(jiān)控系統(tǒng)等。
環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、硫化氫濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、濕度、溫度、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)窗狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主通風(fēng)機(jī)開停、工作電壓、工作電流等，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報(bào)警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制等。
環(huán)境參數(shù)傳感器包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、溫度、濕度、風(fēng)速、絕對壓力、相對壓力(負(fù)壓)、粉塵、煙霧等傳感器。生產(chǎn)參數(shù)傳感器包括機(jī)電設(shè)備開／停、料位、皮帶秤重、機(jī)組位置、皮帶打滑、電壓、電流、功率等傳感器。
礦用風(fēng)速傳感器在煤礦開采業(yè)中的作用，不可小覷。在煤礦開采時(shí)風(fēng)速的大小直接影響礦工的生命安全，風(fēng)速太小，有害氣體得不到及時(shí)的稀釋，可能導(dǎo)致爆炸；如瓦斯爆炸。當(dāng)風(fēng)速太大時(shí)，可能導(dǎo)致粉塵爆炸。因此風(fēng)速傳感器在煤礦開采中至關(guān)重要。
主要是將信號轉(zhuǎn)換為超聲波，利用接收換能器接收經(jīng)過風(fēng)速調(diào)制的信號。然后經(jīng)過中頻放大、檢波、低頻放大、整形后得到方波，然后分兩路，一路送給就地顯示，一路進(jìn)行F/I轉(zhuǎn)換。
第1章 礦用風(fēng)速傳感器概述
1.1礦用風(fēng)速傳感器的作用
礦用風(fēng)速傳感器用于檢測煤礦井下各坑道、風(fēng)口、主風(fēng)扇等處的風(fēng)速。在煤炭開采的過程中，總有瓦斯涌出。為稀釋礦井空氣中的瓦斯，需不斷地向井下輸送新鮮空氣。風(fēng)量是通風(fēng)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。因此，對礦井風(fēng)速的監(jiān)測是礦井監(jiān)控的主要內(nèi)容之一。
1.2礦用風(fēng)速傳感器的安裝位置
安裝：風(fēng)速傳感器可安裝在主要測風(fēng)站和進(jìn)回風(fēng)巷等地。安裝地應(yīng)在距頂板較好無明顯淋水，不妨礙運(yùn)輸和行人安全的地方，傳感頭指向應(yīng)與風(fēng)流方向一致。安裝前應(yīng)首先測量通道平均風(fēng)速，任選一點(diǎn)安裝，遙控器對準(zhǔn)傳感器按動(dòng)上、下鍵，使就地顯示為平均風(fēng)速即可。注意：傳感器安裝一定要牢固，不得擺動(dòng)，傳感器測風(fēng)面一定要垂直風(fēng)流方向。
1.3礦用風(fēng)速傳感器的技術(shù)指標(biāo)
測量范圍：0.4 ～15m/s
測量誤差：≤±0.3m/s
輸出信號：頻率型200Hz~1000Hz或電流型1mA~5mA
工作電壓：12V～21V(DC)
工作電流：≤90 mA
傳輸距離：≤2Km
1.4礦用風(fēng)速傳感器的分類
（1）按傳感器用途可分為環(huán)境參數(shù)傳感器與生產(chǎn)參數(shù)傳感器。
（2）按供電方式可分為自帶電源式傳感器與外接電源式傳感器兩種。
（3）按其輸出信號形式可分為模擬量、開關(guān)量、累計(jì)脈沖量等。模擬信號應(yīng)符合下列信號制式：電流模擬信號為1～5mA或4～20mA，頻率模擬信號為200～1000Hz或5～15Hz。
（4）按作用原理不同可分為：機(jī)械翼式風(fēng)速傳感器、電子翼式風(fēng)速傳感器、熱效應(yīng)式風(fēng)速傳感器超聲波風(fēng)速傳感器。
（5）按風(fēng)速的測量范圍可分為高速風(fēng)速傳感器（V>10m/s）、中速風(fēng)速傳感器（V=0.5m/s～10m/s）、低速風(fēng)速傳感器(V =0.3m/s～0.5m/s)
1.5測風(fēng)方法
測量井巷的風(fēng)量一般要在測風(fēng)站內(nèi)進(jìn)行，在沒有測風(fēng)站的巷道中測風(fēng)時(shí)，要選一段巷道沒有漏風(fēng)、支架齊全、斷面規(guī)整的直線段進(jìn)行測風(fēng)。
空氣在井巷中流動(dòng)時(shí)，由于受到內(nèi)外摩擦的影響，風(fēng)速在巷道斷面內(nèi)的分布是不均勻的I如圖1-1所示。在巷道軸心部分風(fēng)速最大，而靠近巷道周壁風(fēng)速最小，通常所說的風(fēng)速是指平均風(fēng)速而言，故用風(fēng)表測風(fēng)必須測出平均風(fēng)速。為了測得巷道斷面上的平均風(fēng)速，測風(fēng)時(shí)可采用路線法，即將風(fēng)表按圖1-2所示的路線均勻移動(dòng)測出斷面上的風(fēng)速；或者采用分格定點(diǎn)法，如圖1-3所示，即將巷道斷面分為若干方格，使風(fēng)表在每格內(nèi)停留相等的時(shí)問，進(jìn)行移動(dòng)測定，然后計(jì)算出平均風(fēng)速。根據(jù)斷面大小，常用的有9點(diǎn)法、
12
點(diǎn)法等。
圖1-1風(fēng)速流動(dòng)狀態(tài) 圖1-2 線路法測風(fēng) 圖1-3定點(diǎn)法測風(fēng)
測風(fēng)時(shí)，根據(jù)測風(fēng)員的站立姿勢不同又分為迎面法和側(cè)身法兩種。
迎面法是測風(fēng)員面向風(fēng)流方向，手持風(fēng)速傳感器，將手臂向正前方伸直進(jìn)行測風(fēng)。此時(shí)因測風(fēng)人員立于巷道中間，阻擋了風(fēng)流前進(jìn)，降低了風(fēng)速傳感器測得的風(fēng)速。為了消除測風(fēng)時(shí)人體對風(fēng)流的影響，須將測算的真實(shí)風(fēng)速乘以校正系數(shù)(1.14)才能得出實(shí)際風(fēng)速。
側(cè)身法是測風(fēng)人員背向巷道壁站立，手持風(fēng)速傳感器，將手臂向風(fēng)流垂直方向伸直，然后測風(fēng)。用側(cè)身法測風(fēng)時(shí)，測風(fēng)人員立于巷道內(nèi)減少了通風(fēng)斷面，從而增大了風(fēng)速，需對測風(fēng)結(jié)果進(jìn)行校正，其校正系數(shù)按下式計(jì)算：
S?0.4 S?S
式中 K—--測風(fēng)校正系數(shù)，
S——測風(fēng)站的斷面積（m2），
0.4--- 測風(fēng)人員阻擋風(fēng)流的斷面積（m2）。
1.6測風(fēng)注意事項(xiàng)
(1) 風(fēng)速傳感器度盤一側(cè)背向風(fēng)流，即測風(fēng)員能看到度盤；否則，風(fēng)速傳感器指針會(huì)發(fā)生倒轉(zhuǎn)。
(2) 風(fēng)速傳感器不能距人體太近，否則會(huì)引起較大的誤差。
(3) 風(fēng)速傳感器在測量路線上移動(dòng)時(shí)，速度一定要均勻。在實(shí)際工作中，這點(diǎn)常不被重視，由此引起的誤差是很大的。如果風(fēng)速傳感器在巷道中心部分停留的時(shí)間長，則測量結(jié)果較實(shí)際風(fēng)速偏高；反之，測量結(jié)果較實(shí)際值偏低。
(4)葉輪式風(fēng)速傳感器一定要與風(fēng)流方向垂直，在傾斜巷道測風(fēng)時(shí)，更應(yīng)注意。如表1-1傳感器偏角對測量結(jié)果的影響。由表1-1可知偏角10°以內(nèi)時(shí)所產(chǎn)生的誤差可忽略
不計(jì)。
表1-1傳感器偏角對測量結(jié)果的影響
風(fēng)度偏角/(°)
O
5
10
15
20 風(fēng)表平均讀數(shù) 141．O 140.5 139．O 137.5 132．O 誤差/% O．35 1.42 2.50 6.50
(5) 在同一斷面測風(fēng)次數(shù)不應(yīng)小于3，三次測量結(jié)果的最大誤差不應(yīng)超過5%。
(6)傳感器的量程應(yīng)和測定的風(fēng)速相適應(yīng)，否則將造成風(fēng)速傳感器損壞或量程不準(zhǔn)確。
(7)為了減小測量誤差，一般要求在1min時(shí)間內(nèi)，使傳感器從移動(dòng)路線的起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)。
(8)使用前還應(yīng)注意傳感器的校正有效期。
1.7 各類傳感器性能比較
表1-2各類傳感器性能的比較
礦用風(fēng)速傳感器的種類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)
精度低，不能直接指示風(fēng)
體積小，質(zhì)量輕，可測平
機(jī)械翼式風(fēng)速傳感器
均速度。
測微風(fēng)。
葉片有慣性運(yùn)動(dòng)，所以測
接近開關(guān)式
能發(fā)展遙測，精確度比機(jī)
電子翼式風(fēng)速傳感器 （感應(yīng)式）
械翼式高，能直接指示瞬
電容式
時(shí)風(fēng)速。
光電式
低也不能測。
熱線式
沒有慣性影響，高低風(fēng)速
熱效應(yīng)式風(fēng)速傳感器 熱球式
均可測，能發(fā)展遙測。
熱敏電阻式 成份的影響。
結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，性能穩(wěn)定，不受風(fēng)流的影響，精超聲波風(fēng)速傳感器
度高，風(fēng)速測量范圍大。 呈非線性，受濕度和氣體熱敏電阻和熱球的測值風(fēng)速過高不能測、風(fēng)速過機(jī)械翼式大，構(gòu)造復(fù)雜，量值偏大，體積和質(zhì)量比速，不能自動(dòng)遙測，不能
通過表中的比較，可以明顯的看到，設(shè)計(jì)傳感器最好的選擇就是超聲波風(fēng)速傳感器。不僅結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，不受風(fēng)流影響而且精度高，測量范圍大。
1.8超聲波風(fēng)速傳感器的主要特點(diǎn)
1.超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器具有如下特點(diǎn)(1)采用超聲波渦街原理具有可動(dòng)部件，可靠性高介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。(2)紅外線遙控調(diào)校，避免校正時(shí)干擾流場(3)采用新型單片微機(jī)和高集成數(shù)字化電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，便于維修與調(diào)試(4)外殼采用全不銹鋼材料-設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了傳感器的抗沖擊和抗腐蝕能力
2.超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）無可動(dòng)部件，無機(jī)械磨損，性能穩(wěn)定，使用壽命長；
（2）輸出本身就是與風(fēng)速成線性關(guān)系的脈沖頻率信號，沒有零點(diǎn)漂移，且敏感元件靈敏度變化不會(huì)直接影響輸出，測量精度高；
（3）輸出信號不受流體特性（溫度、濕度、壓力、成份、密度、粘度、礦塵等）影響；
（4）響應(yīng)迅速。
第2章工作原理及設(shè)計(jì)方案
2.1工作原理
礦用風(fēng)速傳感器是利用卡曼渦街原理和超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器工作原理下面分別介紹卡曼渦街效應(yīng)和旋渦式風(fēng)速傳感器。
2.1.1卡曼渦街原理
超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器是利用卡曼渦街效應(yīng)設(shè)計(jì)的。在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖2-1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。
圖2-1卡曼渦街效應(yīng)
vf?s?d
式中：f-漩渦頻率；
s-常數(shù)；圓柱形擋體的s值為0.21；
v-未擾動(dòng)流體的速度；
d-阻擋體寬度（或直徑）
首先將風(fēng)速轉(zhuǎn)換成與風(fēng)速成正比的旋渦頻率，然后通過超聲波將旋渦頻率轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖，后將超聲波脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，從而測得風(fēng)速。由于超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器具有壽命長，易維護(hù)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。
我們知道，在流動(dòng)的水中，垂直于流向插人一阻擋體，在阻擋體的下游會(huì)產(chǎn)生兩列內(nèi)旋的互相交替的旋渦�？梢宰C明：在無限界流場中，垂直流向插入一根無限長非流線形阻擋體，阻擋體的下游將產(chǎn)生兩列內(nèi)旋、互相交替的旋渦，若對流速、阻擋體截面面積和形狀作適當(dāng)?shù)南拗�，則旋渦頻率與流速成正比：其旋渦的發(fā)生頻率為 f，被測介質(zhì)來流的平均速度為 V ，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d ，交替產(chǎn)生的漩渦數(shù)通過壓電元件檢測出頻率 f ，經(jīng)電子線路檢測后送給定時(shí)控制器、鎖定寄存器進(jìn)行運(yùn)算處理給顯示電
路進(jìn)行顯示。
2.1.2超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器工作原理：
如圖2-2 所示。在風(fēng)洞中設(shè)置確旋渦發(fā)生桿（即阻擋體），在阻擋體下方安裝一對超聲波發(fā)射器和接收器，當(dāng)流動(dòng)空氣經(jīng)過旋渦發(fā)生桿時(shí)，在其下方產(chǎn)生兩列內(nèi)旋相互交替的渦旋。由于旋渦對超聲波的阻擋作用，超聲波接收器將會(huì)收到強(qiáng)度隨旋渦頻率變化的超聲波，即旋渦沒有阻擋超聲波時(shí)，接收到的超聲波強(qiáng)度最大，旋渦正好阻擋超聲波時(shí)，
接收到的超聲波強(qiáng)度最小。超聲波接收器將接收到的幅度變化的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，所經(jīng)過放大、解調(diào)、整形等就可獲得與風(fēng)速成正比的脈沖頻率。
圖2-2超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器工作原理
當(dāng)發(fā)生桿一定時(shí)，風(fēng)速越大，形成的卡曼旋渦就越強(qiáng)，對超聲波束調(diào)制度越大。當(dāng)風(fēng)速很低時(shí)，會(huì)形不成旋渦。為檢測較低的風(fēng)速，可以增大發(fā)生桿直徑或提高超聲波接收器的靈敏度。能產(chǎn)生旋渦的發(fā)生桿直徑與風(fēng)速關(guān)系如圖
2-3 所示。
圖2-3產(chǎn)生旋渦的發(fā)生桿直徑與風(fēng)速關(guān)系
超聲波發(fā)射與接收器的形狀、截面尺寸、相對位置、堅(jiān)固程度、發(fā)射與接收器偏移角度等都會(huì)影響靈敏度。超聲波發(fā)射與接收器應(yīng)設(shè)置在其軸線距發(fā)生桿的距離為發(fā)生桿直徑6 倍的地方，以保證線性度。超聲波的工作頻率應(yīng)為140～150kHz，即高于風(fēng)速旋渦頻率兩個(gè)數(shù)量級，但不要過高，過高會(huì)造成超聲波在空氣中傳播時(shí)的嚴(yán)重衰減。
2.2設(shè)計(jì)方案
礦用風(fēng)速傳感器主要由：電源電路，發(fā)射電路，接收電路，整形電路，頻流轉(zhuǎn)換，就地顯示組成。超聲波旋渦風(fēng)速傳感器是利用卡曼渦街對超聲波調(diào)制原理來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速的測量的。傳感器輸出1~5mA的直流模擬信號，其值對應(yīng)0~15m/s的風(fēng)速值。并有就地?cái)?shù)字顯示功能�？芍弊x風(fēng)速值。與KJ1型礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配套使用時(shí)，可對煤礦井下的風(fēng)速進(jìn)行遙測。其測量范圍0.4~15m/s。
1.電源電路：由三端固定集成穩(wěn)壓器W和由閘流管SCR、穩(wěn)壓管D4組成的保護(hù)電路構(gòu)成。由電源箱供給21V450mA直流電源，經(jīng)本電路穩(wěn)壓后輸出12V直流電壓作為傳感器的工作電路，當(dāng)W由于某種原因損壞，使輸出電壓大于13V時(shí)，穩(wěn)壓管D4被擊穿，閘流管SCR導(dǎo)通電流經(jīng)SCR流入地，從而實(shí)現(xiàn)就地保護(hù)。
2.發(fā)射電路：該電路由電感三點(diǎn)式振蕩器（哈特萊電路）和乙類推挽功率放大器組成。振蕩器產(chǎn)生141.5KHz的連續(xù)等幅正弦波，由變壓器輸入端，經(jīng)功率放大后施加到發(fā)射換能器F上。發(fā)射電壓約11V，發(fā)射功率約200mW。
3.接收電路：由中頻放大器、檢波器、低頻放大器組成。
發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)空氣衰減后，被接收換能器接收，轉(zhuǎn)換能量損失很大，接收換能器輸出的信號很微弱，一般只有幾毫伏，為了滿足檢波器的需要，實(shí)現(xiàn)大信號檢波而采用了中頻放大器專門對接收換能器輸出的信號進(jìn)行放大。中頻放大器由兩級LC選頻放大器組成，放大器的中心頻率為141.5KHz，頻帶寬度為3 KHz，電壓放大倍數(shù)為600~800倍，輸出電壓有效值為1V，當(dāng)輸入端短路時(shí)輸出端最大噪聲電壓不大于4mV。
檢波器將中頻放大器輸出的調(diào)幅信號中的低頻漩渦信號檢出送給低頻放大器，檢波器輸出電壓幅值為5~10 mV，其值隨風(fēng)速增加而增大。
低頻放大器采用8FC7型單電源運(yùn)放構(gòu)成兩級放大器，每級放大約20倍，頻率范圍在20~1200Hz，當(dāng)輸入端短路時(shí)，輸出端噪聲電壓不大于1 mV.
4.整形電路：由BG6、BG7兩只硅晶體管構(gòu)成，把低頻放大器輸出的近似正弦波信號轉(zhuǎn)換成矩形波，完成波形變換，一路送給就地顯示電路，另一路送給頻率—電流轉(zhuǎn)換電路。
5.頻率—電流轉(zhuǎn)換電路：由CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4、單電源運(yùn)算放大器IC5、場效應(yīng)晶體管BG8和硅晶體管BG9構(gòu)成。
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4輸出脈沖TM由R42和C26確定，由施密特整形電路輸入的矩形波信號，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路再次整形后輸出脈寬恒定幅值恒定的矩形脈沖，經(jīng)R43、WD2、R41、R46、C27分壓濾波后，輸出0~1V直流電壓信號，完成頻率—電壓轉(zhuǎn)換。輸出電壓信號
可以由WD2在小范圍內(nèi)調(diào)整。
由IC5、BG8、BG9、構(gòu)成恒流電路，WD為模擬負(fù)載電阻。WD5為采樣電阻，IC5結(jié)成同相放大工作狀態(tài)，恒流電路將0~1V直流電壓信號轉(zhuǎn)化成1~5mA直流電流信號，經(jīng)長線輸送至礦井監(jiān)測系統(tǒng)、電源箱，從而完成頻率—電流轉(zhuǎn)換。
6.就地?cái)?shù)字顯示電路。由CMOS定時(shí)控制器IC6，十進(jìn)制數(shù)字寄存譯碼器IC7、IC8、IC9和數(shù)碼管等構(gòu)成。
定時(shí)控制器IC6由晶體振蕩器SZ和R56 、C30、C31構(gòu)成晶體振蕩器，產(chǎn)生32768Hz的振蕩頻率，經(jīng)分頻后，由IC6的12腳輸出32Hz，占空比為50%的方波信號作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)信號。IC6 的2、3腳接入R54、R57構(gòu)成施密特觸發(fā)器，對輸入的被測脈沖進(jìn)行整形，被測信號由IC3的2腳輸入。R55、C29決定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)時(shí)間，其值應(yīng)取得比最小輸入信號周期小些，以免前一個(gè)單穩(wěn)時(shí)間尚未結(jié)束，后一個(gè)輸入信號又到來。
IC7、IC8、IC9 的鎖定寄存器選通信號是由IC6 的15腳供給。它是由定時(shí)器的窄脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的間隔周期為1s，脈寬脈沖為1.5x10-5 的負(fù)窄脈沖信號。IC7、IC8、IC9的清零信號由IC6的11腳供給。它是由定時(shí)控制器的窄脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的間隔周期為1s，脈寬脈沖為1.5x10-5 的正窄脈沖信號。被測脈沖由IC6的10腳輸出送給IC7的計(jì)數(shù)輸入端6腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間到1秒鐘時(shí)，選通信號到來，給IC7 ~IC9鎖定寄存器解鎖，所測信號進(jìn)入譯碼器，顯示器將顯示這1秒鐘的測量值。選通脈沖后，液晶顯示器保持測量值，同時(shí)清零信號對計(jì)數(shù)器清零。清零脈沖過后，計(jì)數(shù)器開始下一秒鐘的計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)又到1秒鐘是，選通信號又到來，鎖定寄存器又解鎖，液晶顯示器顯示新的測量值。如此循環(huán)，顯示器將不斷地顯示新的測量值，其顯示周期為
1秒，如圖2-4.
圖2-4風(fēng)速傳感器原理框圖
第3章各部分電路設(shè)計(jì)
3.1電源電路的設(shè)計(jì)
電源電路的作用就是為發(fā)射電路，接收電路，整形電路，頻流轉(zhuǎn)換電路提供+12V電源，為就地顯示電路提供+5V電源;由煤礦電源箱KDW6B提供+21V電壓；為了得到+12V電壓和+5V電壓可以利用三端固定集成穩(wěn)壓器7812和穩(wěn)壓二極管。
三端固定輸出集成穩(wěn)壓器通用產(chǎn)品有CW7800系列（正電源）和CW7900系列（負(fù)電源）。
CW7800基本應(yīng)用電路：（7812）如圖3-1；
圖3-1
由于輸出電壓決定于集成穩(wěn)壓器，故輸出電壓為12V，最大電流1.5A。為使電路正常工作，要求輸入電壓U1比輸出電壓U0至少大2.5～3V。輸出電容C1用以抵消輸入端較長接線的電感效應(yīng)，以防止自激振蕩，還可以抑制電源的高頻脈沖干擾。一般取0.1～1uF。輸出端電容C2、C3用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。V是保護(hù)二極管，用來防止輸入端短路時(shí)輸出電容C3所存儲(chǔ)電荷通過穩(wěn)壓器放電而損壞器件。
穩(wěn)壓二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè) 很小的數(shù)值,在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。
當(dāng)電壓過高時(shí)要進(jìn)行斷電保護(hù)，還要考慮自激振蕩，故設(shè)計(jì)出圖3-2。
圖3-2
C1、C2為電容，用于濾波；C1用以抵消輸入端較長接線的電感效應(yīng)，以防止自激振蕩，還可以抑制電源的高頻脈沖干擾，C2用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。R1為限流電阻；D1、 D4為穩(wěn)壓管二極管；SCR為晶閘管；W為7812三端固定集成穩(wěn)壓器。
VCC輸出電壓經(jīng)過C1濾波，W穩(wěn)壓輸出12V電壓經(jīng)C2濾波提供給后續(xù)電路，D1穩(wěn)壓得到5V電源給顯示電路供電;當(dāng)W出現(xiàn)故障，輸出電壓高于13V時(shí)穩(wěn)壓管D4被擊穿，晶閘管SCR導(dǎo)通，電流經(jīng)D4和SCR流入地，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
3.2發(fā)射電路設(shè)計(jì)
3.2.1電感三點(diǎn)式振蕩器
振蕩器的組成部分：放大器、正反饋電路和選頻網(wǎng)絡(luò)。放大器能對振蕩器輸入端所加的輸入信號予以放大使輸出信號保持恒定的數(shù)值。正反饋電路保證向振蕩器輸入端提供的反饋信號是相位相同的，只有這樣才能使振蕩維持下去。選頻網(wǎng)絡(luò)則只允許某個(gè)特定頻率f0能通過，使振蕩器產(chǎn)生單一頻率的輸出。
正弦波振蕩器按照選頻網(wǎng)絡(luò)所用的元件可以分成 LC 振蕩器、 RC 振蕩器和石英晶體振蕩器三種。石英晶體振蕩器有很高的頻率穩(wěn)定度，只在要求很高的場合使用。在一般家用電器中，大量使用著各種 LC 振蕩器和 RC振蕩器。
振蕩電路的作用：是一種能量轉(zhuǎn)換裝置——將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路.（能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路。）
振蕩器能不能振蕩起來并維持穩(wěn)定的輸出是由以下兩個(gè)條件決定的；一個(gè)是反饋電壓Uf 和輸入電壓 U i 要相等，這是振幅平衡條件。二是 Uf 和 Ui 必須相位相同，這是
相位平衡條件，也就是說必須保證是正反饋。一般情況下，振幅平衡條件往往容易做到，所以在判斷一個(gè)振蕩電路能否振蕩，主要是看它的相位平衡條件是否成立。
電感三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)是：頻率范圍寬、容易起振，但輸出含有較多高次調(diào)波，
1 L=L ＋ L ＋ 2M 。常用于產(chǎn)生幾波形較差。它的振蕩頻率是：，其中12f0?2?LC十兆赫以下的正弦波信號。
LC振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是LC諧振電路。它們的振蕩頻率都比較高，常見電路有 3 種。
（1）變壓器反饋LC振蕩電路（2）電容三點(diǎn)式振蕩電路（3）電感三點(diǎn)式振蕩電路 振蕩電路中的放大器都是用的共發(fā)射極電路。共發(fā)射極接法的振蕩器增益較高，容易起振。也可以把振蕩電路中的放大器接成共基極電路形式。共基極接法的振蕩器振蕩頻率比較高，而且頻率穩(wěn)定性好；故設(shè)計(jì)出由電感三點(diǎn)式振蕩器（哈特萊電路）圖3-3
圖3-3 電感三點(diǎn)式振蕩器
電感三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)是：頻率范圍寬、容易起振，但輸出含有較多高次調(diào)波，波形較差。常用于產(chǎn)生幾十兆赫以下的正弦波信號。
電感線圈L1和L2是一個(gè)線圈，a點(diǎn)是中間抽頭。如果設(shè)某個(gè)瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時(shí)極性如圖所示，反饋到發(fā)射極性對地為正，圖中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。晶體管的輸入電壓和反饋電壓是同相的，滿足相位平衡條件的，因此電路能起振。由于晶體管的 3 個(gè)極是分別接在電感的 3 個(gè)點(diǎn)上的，因此被稱為電感三點(diǎn)式振蕩電路。
ZJ1為濾波網(wǎng)絡(luò)；R4、R5、R6組成分壓式偏置電路；C4為交流旁路電容；C6為隔直電容；三極管BG1為振蕩管； L1、L2和C5組成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)“大電容畫為導(dǎo)線，小電容不變；大電感開路，小電感保持；電阻省略的原則”畫出交流通路圖3-4：
圖3-4 電感三點(diǎn)式振蕩器的交流通路
3.2.2乙類推挽功率放大電路
圖3-5 乙類推挽功率放大電路
(2)工作原理（令VBE(on)=0，即φ=90°)
Tr1完成T1、T2兩管輪流工作
Tr2完成電流波形上下合成
在正弦信號激勵(lì)下，iB1、iB2、iC1、iC2均為半個(gè)正弦波，UCE1、UCE2為完整正弦波
0～T/2 ：T1導(dǎo)通，T2截止，產(chǎn)生上半個(gè)正弦波iC1 ，iC1通過RL ;
T/2～T : T1截止，T2導(dǎo)通，產(chǎn)生下半個(gè)正弦波iC2 ，iC2通過RL ;
在一個(gè)周期內(nèi)在RL上合成一個(gè)完整的正弦波。
由LC振蕩器產(chǎn)生145KHz正弦波，經(jīng)過乙類推挽功率放大器放大后由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射出去。
圖3-6 發(fā)射電路
3.2.3 相關(guān)的計(jì)算
LC振蕩頻率是： f 0 =
起振條件：
.1 ，其中 L=L1 ＋ L2 ＋ 2M 。 2?LC
振幅起振條件：AUF?1
相位起振條件：?a??f?2n?（n=0,1,2,3………）
平衡條件：
振蕩平衡條件：AUF?1,
相位平衡條件：?a??f?2n?（n=0,1,2,3………）
AU：放大倍數(shù)；F反饋系數(shù)。
AU?UoUf ； F? UiUo
1 2?LCLC振蕩頻率是：f0?
3.3超聲波發(fā)射/接收電路
1.超聲波發(fā)射接收頭壓電陶瓷超聲波換能器,壓電陶瓷超聲波換能器體積小，靈敏度高、性能可靠、價(jià)格低廉，是遙控、遙測、報(bào)警等電子裝置最理想的電子器件、用此換能器構(gòu)成的超聲波遙控開關(guān)，可使家電產(chǎn)品、電子玩具加速更新 換代，提高市場競爭能力。
2.技術(shù)參數(shù)
發(fā)射距離:8- 10米 發(fā)射角度:30-60
靈敏度：≥-70dB / V / ubar
諧振頻率：40KHZ±1KHZ（UCM—T40K1·發(fā)射用）
40KHZ±1KHZ（UCM—R40K1?接收用）
頻 帶 寬：2KHZ±0.5KHZ
外形尺寸：∮16mm×22.5mm
3.使用環(huán)境
溫 度：-20℃~ + 60 ℃ 相對濕度：20 ± 5℃時(shí)達(dá)98%
4.使用注意事項(xiàng)
兩接線腳焊接時(shí)間不宜過長，以免器件內(nèi)之焊點(diǎn)溶化脫焊及造成底座與接線腳之間松動(dòng),不宜與腐蝕性物質(zhì)接觸
由VT1、VT2組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ±2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬（3~12V），且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機(jī)工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。
圖3-7 40kHZ超聲波信號的發(fā)射電路
單穩(wěn)式超聲波接收器電路原理圖，超聲波換能器R40-16諧振頻率為40kHZ，經(jīng)R40-16選頻后，將40kHZ以外的干擾信號衰減，只有諧振于40kHZ的有用信號（發(fā)射機(jī)信號）送入VT1～VT3組成的高通放大器放大，經(jīng)C5，VD1檢出直流分量，控制VT4，VT5組成的電子開關(guān)帶動(dòng)繼電器K工作。由于該電路僅作單路信號放大，當(dāng)發(fā)射機(jī)每發(fā)射一次超聲波信號時(shí)，接收機(jī)的繼電器吸合一次（吸合時(shí)間同發(fā)射機(jī)發(fā)射信號時(shí)間相同），無記憶保持功能�？捎米鳠o線遙控?cái)z象機(jī)快門控制、兒童玩具控制、窗簾控制等。電路中VT1的β≥200，VT2的β≥150，其他元件自定。電路不需調(diào)試即可工作。如靈敏度和抗干擾不夠，可檢查三極管的β值與電容C4的容量是否偏差太大。經(jīng)實(shí)測，配合相應(yīng)的發(fā)射機(jī)，遙控距離可達(dá)8m以上。在室內(nèi)因墻壁反射，故沒有方向性。電路工作電壓3V，靜態(tài)電流小于 10mA。
圖3-8 40kHZ超聲波信號的接收電路
3.4接收電路的設(shè)計(jì)
3.4.1 中頻放大電路
發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)空氣衰減后，被接收換能器接收，轉(zhuǎn)換能量損失很大，接收換能器輸出的信號很微弱，一般只有幾毫伏，為了滿足檢波器的需要，實(shí)現(xiàn)大信號檢波而采用了中頻放大器專門對接收換能器輸出的信號進(jìn)行放大。中頻放大器由兩級LC選頻放大器組成，放大器的中心頻率為141.5KHz，頻帶寬度為3 KHz，電壓放大倍數(shù)為600~800倍，輸出電壓有效值為1V，當(dāng)輸入端短路時(shí)輸出端最大噪聲電壓不大于4mV。
中頻放大器是由兩級LC選頻放大器組成，S為接收換能器；C8為隔直電容R11、R12為分壓電阻，調(diào)節(jié)兩者的比值，就可以獲得BG4的基極正偏電壓值。
R13、C9和R15、C11用來改善電路的溫度穩(wěn)定性。
圖3-9 中頻放大電路
3.4.2 檢波電路
檢波電路的作用是從調(diào)幅波中取出低頻信號。它的工作過程正好和調(diào)幅相反。檢波過程也是一個(gè)頻率變換過程，也要使用非線性元器件。常用的有二極管和三極管。另外為了取出低頻有用信號，還必須使用濾波器濾除高頻分量，所以檢波電路通常包含非線性元器件和濾波器兩部分。下面圖3-10舉二極管檢波器為例說明它的工作。
圖3-10 二極管檢波電路
圖 3-10是一個(gè)二極管檢波電路。 VD 是檢波元件， C 和 R 是低通濾波器。當(dāng)輸入的已調(diào)波信號較大時(shí)，二極管 VD 是斷續(xù)工作的。正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，對 C 充電；負(fù)半周和輸入電壓較小時(shí)，二極管截止， C 對 R 放電。在 R 兩端得到的電壓
包含的頻率成分很多，經(jīng)過電容 C 濾除了高頻部分，再經(jīng)過隔直流電容 C0 的隔直流作用，在輸出端就可得到還原的低頻信號。
圖3-11 檢波電路
檢波電路：即二極管包絡(luò)檢波（3-11）。由二極管和RC低通濾波電路組成。二極管導(dǎo)通時(shí)，輸入信號向C充電，截止時(shí)C向R放電，再輸入信號作用下，二極管不斷重復(fù)導(dǎo)通和截止，直到充放電達(dá)到平衡，輸出信號跟蹤了輸入信號的包絡(luò)。
檢波器將中頻放大器輸出的調(diào)幅信號中的低頻漩渦信號檢出送給低頻放大器，檢波器輸出電壓幅值為5~10 mV，其值隨風(fēng)速增加而增大。
3.4.3低頻放大電路
如圖3-12所示為單電源低電壓帶通濾波電路。
圖3-12 單電源低電壓帶通濾波電路
該電路采用單電源運(yùn)算放大器8FC7構(gòu)成二階帶通濾波器，電源電壓范圍可從3V到30V。在決定各元件數(shù)值時(shí)，首先確定帶通濾波器的中心頻率f0，再按下表選用合適
的電容C(C=C1=C2)。然后選定Q值。Q值是代表選頻特性的一個(gè)參量，Q值高，通帶就窄。當(dāng)Q=10時(shí)，可得每倍頻程-40dB的頻率響應(yīng)特性。但Q值太大，電路穩(wěn)定性差。一般Q值選擇小于10。閉環(huán)增益K，應(yīng)保證在不失真前提下得到盡可能大的輸出幅度。一般KF小于l。
圖3-13低頻放大電路
如圖3-13所示，低頻放大器采用8FC7型單電源運(yùn)放構(gòu)成兩級放大器，每級放大約20倍，頻率范圍在20~1200Hz，當(dāng)輸入端短路時(shí)，輸出端噪聲電壓不大于1 mV.
3.5整形電路的設(shè)計(jì)
圖3-14 整形電路
整形電路。由BG6、BG7兩只硅晶體管構(gòu)成，把低頻放大器輸出的近似正弦波信號轉(zhuǎn)換成矩形波，完成波形變換如圖3-15，一路送給就地顯示電路，另一路送給頻率—電流轉(zhuǎn)換電路。
3-15 波形圖
3.6頻率-電流裝換電路的設(shè)計(jì)
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4的作用:F / V 轉(zhuǎn)換電路如圖3-16所示，其工作原理是：利用輸入脈沖F 的上升沿（或下降沿）觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對應(yīng)每一個(gè)輸人脈沖的上升沿（或下降沿）都有一個(gè)恒定寬度的脈沖輸出，并且輸出脈沖頻率與輸人脈沖頻率相等。該脈沖經(jīng)RC 濾波器濾波后，電壓V0 隨輸人脈沖頻率的增大而增大，從而將頻率信號轉(zhuǎn)換電壓信號。各點(diǎn)波形如圖
3-16b 所示。
圖3-16 整形波
圖3-17 F/I轉(zhuǎn)換電路
頻率—電流轉(zhuǎn)換電路。由CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4、單電源運(yùn)算放大器IC5、場效應(yīng)晶體管BG8和硅晶體管BG9構(gòu)成。
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC4輸出脈沖TM由R42和C26確定，由施密特整形電路輸入的矩形波信號，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路再次整形后輸出脈寬恒定幅值恒定的矩形脈沖，經(jīng)R43、WD2、R41、R46、C27分壓濾波后，輸出0~1V直流電壓信號，完成頻率—電壓轉(zhuǎn)換。輸出電壓信號可以由WD2在小范圍內(nèi)調(diào)整。
由IC5、BG8、BG9、構(gòu)成恒流電路，WD為模擬負(fù)載電阻。WD5為采樣電阻，IC5結(jié)成同相放大工作狀態(tài)，恒流電路將0~1V直流電壓信號轉(zhuǎn)化成1~5mA直流電流信號，經(jīng)長線輸送至礦井監(jiān)測系統(tǒng)、電源箱，從而完成頻率—電流轉(zhuǎn)換。
3.7顯示電路的設(shè)計(jì)
顯示電路是由CD4511即（BCD鎖存/7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器），CD4518（雙BCD同步加計(jì)數(shù)器），LED顯示屏構(gòu)成。
1.CD4511是BCD鎖存/7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，常用的顯示譯碼器件圖3-18
圖3-18 七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511
CD4511 是專用于將二-十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器，它由4位鎖存器，7段譯碼電路和驅(qū)動(dòng)器三部分組成。
CD4511引腳功能：
BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)是怎么樣的，七段數(shù)碼管都會(huì)處于消隱也就是不顯示的狀態(tài)。
LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。
LT：3腳是測試信號的輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮全部顯示。它主要用來檢測數(shù)7段碼管是否有物理損壞。
A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。
a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。
CD4511的里面有上拉電阻，可直接或者接一個(gè)電阻與七段數(shù)碼管接口。
數(shù)字電路CD4511的原理（引腳及功能）
CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流�？芍苯域�(qū)動(dòng)LED顯示器。
CD4511 是一片 CMOS BCD—鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如3-18圖所示。其中a 、b 、c、 d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。a～g是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d段消隱，所以顯示6、9這兩個(gè)數(shù)時(shí)，字形不太美觀 一般由 CD4511和CD4518配合而成一位計(jì)數(shù)顯示電路，若要多位計(jì)數(shù)，只需將計(jì)數(shù)器級聯(lián)，每級輸出接一只 CD4511 和 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時(shí)可使用300Ω的限流電阻。
CD4511的工作原理
(1)CD4511的工作真值表如表3-1
表3-1 CD 4511的真值表
輸入
LE X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
BI X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 LI 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
D X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C X X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
B X X 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X A X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 X b 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0
c 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 X d 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0
輸出 e 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 X
f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0
g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0
顯示 8 消隱 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隱 消隱 消隱 消隱 消隱 消隱 鎖存
(2).鎖存功能
譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成,傳輸門的導(dǎo)通或截止由控制端LE的電平狀態(tài)。 當(dāng)LE為“0”電平導(dǎo)通，TG2截止；當(dāng)LE為“1”電平時(shí)，TG1截止，TG2導(dǎo)通，此時(shí)有鎖存作用。
(3).譯碼
CD4511譯碼用兩級或非門擔(dān)任，為了簡化線路，先用二輸入端與非門對輸入數(shù) 據(jù)B、C進(jìn)行組合，得出碼。
(4).消隱
BI為消隱功能端，該端施加某一電平后，迫使B端輸出為低電平，字形消隱。 消隱輸出J的電平為 J=
=（C+B）D+BI
如不考慮消隱BI項(xiàng)，便得J=（B+C）D
據(jù)上式，當(dāng)輸入BCD代碼從1010---1111時(shí)，J端都為“1”電平，從而使顯示器中的字形消隱。
2.CD4518是一個(gè)雙BCD同步加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級計(jì)數(shù)器組成。 CD4518引腳功能(管腳功能)如下： 1CP、2CP：時(shí)鐘輸入端。 1CR、2CR：清除端。
1EN、2EN：計(jì)數(shù)允許控制端。 1Q0～1Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。 2Q0～2Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。 Vdd：正電源。 Vss：地。
四項(xiàng)，然后將輸入的數(shù)據(jù)A、D一起用或非門譯
圖3-19 CD4518同步加計(jì)數(shù)器
CD4518是一個(gè)同步加計(jì)數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別為1～7和9～15.該CD4518計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號輸出（3腳～6腳；11腳～14腳）。
CD4518控制功能：CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN,若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā),信號由CP輸入,此時(shí)EN端為高電平1,若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā),信號由EN輸入,此時(shí)CP端為低電平0,同時(shí)復(fù)位端Cr也保持低電平0,只有滿足了這些條件時(shí),電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài).否則沒辦法工作。
將數(shù)片CD4518串行級聯(lián)時(shí)，盡管每片CD4518屬并行計(jì)數(shù)，但就整體而言已變成串行計(jì)數(shù)了。需要指出，CD4518未設(shè)置進(jìn)位端，但可利用Q4做輸出端。有人誤將第一級的Q4端接到第二級的CP端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)變成“逢八進(jìn)一”了。原因在于Q4是在CP8作用下產(chǎn)生正跳變的，其上升沿不能作進(jìn)位脈沖，只有其下降沿才是“逢十進(jìn)一”的進(jìn)位信號。正確接法應(yīng)是將低位的Q4端接高位的EN端，高位計(jì)數(shù)器的CP端接USS。
圖3-20 顯示電路
如圖3-20，定時(shí)控制器IC6由晶體振蕩器SZ和R56 、C30、C31構(gòu)成晶體振蕩器，產(chǎn)生32768Hz的振蕩頻率，經(jīng)分頻后，由IC6的12腳輸出32Hz，占空比為50%的方波信號作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)信號如圖3-21。IC6 的2、3腳接入R54、R57構(gòu)成施密特觸發(fā)器，對輸入的被測脈沖進(jìn)行整形，被測信號由IC3的2腳輸入。
圖3-21 波形圖
IC7、IC8、IC9 的鎖定寄存器選通信號是由IC6 的15腳供給。它是由定時(shí)器的窄脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的間隔周期為1s，脈寬脈沖為1.5x10-5 的負(fù)窄脈沖信號。IC7、IC8、IC9的清零信號由IC6的11腳供給。它是由定時(shí)控制器的窄脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的間隔周期為1s，脈寬脈沖為1.5x10-5 的正窄脈沖信號。被測脈沖由IC6的10腳輸出送給IC7的計(jì)數(shù)輸入端6腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間到1秒鐘時(shí)，選通信號到來，給IC7 ~IC9鎖定寄存器解鎖，所測信號進(jìn)入譯碼器，顯示器將顯示這1秒鐘的測量值。選通脈沖后，液晶顯示器保持測量值，同時(shí)清零信號對計(jì)數(shù)器清零。清零脈沖過后，計(jì)數(shù)器開始下一秒鐘的計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)又到1秒鐘是，選通信號又到來，鎖定寄存器又解鎖，液晶顯示器顯示新的測量值。如此循環(huán)，顯示器將不斷地顯示新的測量值，其顯示周期為1秒。
第4章 風(fēng)速傳感器的應(yīng)用
4.1使用前的準(zhǔn)備
1.首先將四芯電纜插頭缺口對準(zhǔn)傳感器上方插座上好旋緊。四芯電纜線在連接時(shí)，一定要嚴(yán)格按顏色要求接線：紅色線——電源正極（電纜插頭1號口），藍(lán)色或黑色線——電源負(fù)極或信號負(fù)極（電纜插頭2號口），白色或黃色線——連接分站信號線（電纜插頭3號口），綠色線——不使用。
注：信號線與分站接通后傳感器左側(cè)指示燈應(yīng)點(diǎn)亮。 2.傳感器調(diào)校
(1)將傳感器放置在風(fēng)洞中，在無風(fēng)時(shí)調(diào)節(jié)W2使信號輸出為2000HZ或1mA。 (2)傳感器量程為0—15m/s，調(diào)校分5檔。風(fēng)洞開到任意位置時(shí)，遙控器對準(zhǔn)傳感器按動(dòng)粗調(diào)和細(xì)調(diào)上、下按鈕，使傳感器顯示值現(xiàn)風(fēng)洞風(fēng)速相同即可 ；
(3)井下調(diào)校時(shí)，嚴(yán)禁用礦燈直照顯示窗 。 (4)維護(hù)與修理
4.2 傳感器接線
1.引出線表4-1
表引腳號 1 2 3 4 5 6 7 8
引線名稱 超生波接收探頭正極 超生波接收探頭負(fù)極
超生波發(fā)射探頭負(fù)極 超生波發(fā)射探頭正極
信號輸出端 傳感器電源負(fù)極 傳感器電源正極
引線
顏色
備注 出廠時(shí)已連接 出廠時(shí)已連接 出廠時(shí)已連接 出廠時(shí)已連接 出廠時(shí)已連接 需用戶連接 需用戶連接 需用戶連接
2.傳感器輸出信號類型選擇撥碼開關(guān)（四位平撥開關(guān)） （1）電流型時(shí)1、2、4位撥至OFF，3位撥至ON； （2）頻率型時(shí)1、2撥至ON，3、4撥至OFF 3.傳感器與分站的連接步驟
（1）要確定傳感器輸出信號的類型（電流型或頻率型或開關(guān)量）；
（2）在監(jiān)測系統(tǒng)中心站主機(jī)上進(jìn)行測點(diǎn)定義； （3）接著在相應(yīng)分站的主板上進(jìn)行相應(yīng)的跳線設(shè)置；
（4）通過接線盒將分站對應(yīng)的模入口19芯航空插頭與傳感器4芯插頭進(jìn)行連接； （5）確認(rèn)接線無誤后通電進(jìn)行調(diào)試。
例如井下35#分站的模入2口的第8路需要接入一頻率型風(fēng)速傳感器步驟。 傳感器為頻率型輸出信號；
在監(jiān)測系統(tǒng)中心站主機(jī)由專職人員錄入測點(diǎn)信息（分站號、通道號、傳感器類型、量程、報(bào)警值等）；
按分站配接電源KDW6B時(shí)X13接線圖，將井下35#分站的模入2口的航空電纜的過接線盒與傳感器的四芯電纜相連；
設(shè)置分站的S15和S16跳A， S75、S76跳A，同時(shí)C、D短接； 通電進(jìn)行調(diào)試。
4.3 風(fēng)速傳感器使用注意事項(xiàng)
1.使用前必須詳細(xì)閱讀使用說明書。
2.為保證傳感器的測量精度，應(yīng)保持傳感器下端風(fēng)道風(fēng)壁的清潔，擦拭風(fēng)壁時(shí)應(yīng)注意不要損傷傳感件的保護(hù)層。
3.礦用風(fēng)速傳感器的設(shè)置、調(diào)整及標(biāo)定工作需在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中進(jìn)行，傳感器的軟硬件各項(xiàng)參數(shù)出廠時(shí)已調(diào)整到最佳位置，無特殊情況，不得隨意亂調(diào)，以免影響整機(jī)性能，特殊情況需調(diào)整時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按使用說明書所述步驟進(jìn)行
4.本傳感器不得隨意與其它未經(jīng)聯(lián)檢的設(shè)備連接，需要配接時(shí)必須通過國家指定的檢驗(yàn)部門的防爆聯(lián)檢。
5.一旦發(fā)生故障及損壞，不得隨意更換元器件，與本安電路有關(guān)的元器件更換時(shí)，其規(guī)格、型號、參數(shù)必須與原來相同
4.4 維護(hù)與保養(yǎng)
必須指定專人負(fù)責(zé)傳感器的使用和維護(hù)，應(yīng)經(jīng)常對傳感器外殼進(jìn)行清掃，防止煤塵積聚。
傳感器周圍環(huán)境中不應(yīng)有嚴(yán)重腐蝕性氣體，開蓋操作時(shí)不得將煤泥及污水帶入殼體內(nèi)部。
傳感器故障及排除方法見下表，表中所示內(nèi)容只作參考，出現(xiàn)故障時(shí)還應(yīng)具體分析，如無法準(zhǔn)確判斷故障原因，建議及時(shí)與生產(chǎn)廠家聯(lián)系。
表4-2 傳感器故障及排除方法
故障現(xiàn)象 傳感器無任何顯示
故障原因
1、電源線斷
2、7812穩(wěn)壓塊或?yàn)V波 電容損壞
1、某芯片損壞
LED顯示不規(guī)則、
無變化
2、CD4511或CD4518損壞
3、LED顯示器損壞 4、顯示接口損壞
1、參數(shù)調(diào)整不合適 2、探頭表面不清潔 3、發(fā)射換能器損壞 4、接收換能器損壞
斷線
排除方法 檢查、連接 更換 檢測，更換 更換 更換 更換 重新標(biāo)定 擦拭使表面清潔
更換 更換
測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)
監(jiān)測顯示正常， 無信號輸出
檢查連接
結(jié)束語
看著畢業(yè)設(shè)計(jì)——礦用風(fēng)速傳感器呈現(xiàn)在自己面前，所有的心酸與委屈都化為烏有，以前覺得電腦知識掌握的還不錯(cuò)，可經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我徹底認(rèn)清了自己，原來真的是山外有山，人外有人。
在實(shí)訓(xùn)室畫總的電路圖，因?yàn)闆]有及時(shí)保存，多次因?yàn)橥蝗坏赝ｋ�，我的勞�?dòng)成果一而再，再而三的丟失，其中的心酸是不可言語的。但它給我的影響也是非常大的，如果我及時(shí)保存，這種情況就不會(huì)出現(xiàn)了。
由于諸多原因，為了方便做畢業(yè)設(shè)計(jì)，就借了一臺(tái)電腦，病毒多的讓人不寒而栗，使用殺毒軟件結(jié)果將word2003殺的失去作用�？纪暝噷⑷烤Χ纪度氲疆厴I(yè)設(shè)計(jì)里，就在快看到光明時(shí)，U盤中毒，所有的文件都打不開。好在因?yàn)橐郧岸啻问懿《酒圬?fù)，所以這次在郵箱里保存了備份，使自己的損失降到最小。就個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來說，我覺得大一來時(shí)就把畢業(yè)設(shè)計(jì)分配給個(gè)人，會(huì)使同學(xué)們學(xué)到更多。一路的風(fēng)雨兼程，讓我最后終于順利到達(dá)重終點(diǎn)。
馬上就要離開很多人向往的象牙塔，離開朝夕相處的老師、同學(xué)，離開這個(gè)記錄我們最年輕歲月的地方；礦用風(fēng)速傳感器為我的大學(xué)畫了一個(gè)句號。
致謝
經(jīng)過近兩個(gè)月的努力，我的畢業(yè)論文《礦用風(fēng)速傳感器》終于出爐了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。
非常感謝張宏老師、尚姝鈺、郭宗躍老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給我的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，他們給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我的畢業(yè)論文，他們放棄了自己的休息時(shí)間，他們的這種無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他們表示我誠摯的謝意。同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這三年來給我的指導(dǎo)和幫助，是他們教會(huì)了我專業(yè)知識，教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！
由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學(xué)友批評和指正！
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