理论探究

在悬浮液中，声波的传播受到悬浮粒子的影响。这些粒子会导致界面上的声波被散射衰减，而进入粒子内部的声波则因吸收而衰减。此外，接触界面的声波还会受粘滞效应影响，最终到达接收端。这种衰减现象与悬浮粒子的数量成正比，因此，在一定条件下，可以通过测量声波的衰减率来确定浓度。

设在含有悬浮粒子的液体中，初始和最终衰减率分别为a0和ax，其对应的接收电压为E0和Erespectively。同时，我们假设无悬浮物时的衰减率和接收电压为a0'和E'respectively，以及发射端电压Er及两端间距离L，则：

根据上述公式，我们可以计算出由悬浮粒子引起的额外衰減ax=(ln(E0/Ex))/L。

当浓度增加时，声波幅度将随之降低，这一变化可转换为电压信号。通过标定这一关系，我们便能够从测量得到浓度值。

硬件构建

系统核心是发射与接收电路，如图1所示。在此基础上，一款直接数字频率合成芯片AD9833产生脉冲串，并经过功率放大后驱动换能器；换能器后的回波信号利用92 dB对数放大器AD8307进行处理；最后，由微控制单元(MCU)处理数据以得出浓度值。这套系统还包括键盘输入、显示屏幕、参数存储、开关输出、继电器输出等功能模块。

2.1 主控芯片设计

本系统采用美国Silab公司生产的一款高速混合信号ISP Flash微控制单元C8051F021作为主控芯片。这类设备不仅要求高速度，还需要精确控制时间序列，以确保发射与接收操作顺畅。而且，由于返回的是低于2.5V的小型化安培/迪采样转换器ADC，将其数字化供CPU处理使用。

C8051F021具有以下特点：

一个高速流水线结构兼容8051内核（最高25 MIPS）。

具有12位片上SAR ADC，可编程转换速率（最大100 kbps），并提供可编程增益。

内部包含352字节RAM以及64 KB Flash存储空间。

五个通用16位计数器/定时器阵列，有硬件SMBus、SPI及两个UART串口通信方式。

功耗较低（10 mA @20 MHz），支持多种节能休眠模式。

2.2 DDS产生发射单元脉冲串

直接数字频率合成技术(DDS)通过相位概念实现频率合成，不仅可以生成不同频段正弦波，还能调整初始相位并生成三角或方形waveform。本系统使用了DDS AD9833作为发射单元脉冲发生机制。AD9833是一款可编程设备，它可以通过快速串行外围总线(SPI)连接至微处理机，只需一个外部时钟即可工作。此芯片在基于25MHz时钟下的工作范围涵盖从0Hz到12.5MHz之间所有可能的音调频谱。

如图2所示，DDS产生脉冲串后的电子回路主要由25MHz晶振提供clock源，并通过74HC244缓冲提升信号强度。在微控制单元命令下，74HC244将SPI总线CLK, DATA, CS连接至I/O口。当EN指令发出非门作用下，当SPICLK同步发送DATA信息给DDSSPI总线，从而形成需要频道大小方波输出VOUT引脚经过功放后驱动换能使得声音达到最终目的地成为反复实验研究对象。