超聲波流量計系統(tǒng)的設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上超聲波流量計系統(tǒng)的設計樊 偉 佳（陜西理工學院 電信工程系 電子信息工程專業(yè),2012級1班，陜西 漢中 ）指導教師：秦偉摘要 超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計量儀表，并且以其非接觸式的測量、高精度等特點在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、水資源等領域有著廣泛的應用。本設計利用時差法超聲波流量計原理，針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的問題，利用改進型算法避免溫度對測量精度的影響。設計系統(tǒng)時選擇了一些基本電路設計了以下電路：超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，LED顯示電路，主從單片機電路，電源電路以及存儲電路等，成功實現(xiàn)了瞬時流量的測量與輔助功能的實現(xiàn)，總的來

2、說，本次設計的超聲波流量計具有精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等特點。另外，本次設計的超聲波流量計適用于管道和明渠流量測量,適合測量的流體：水或其它雜質較少的液體,管徑或明渠寬度：0.320m,流速：0.112m/s。關鍵詞 超聲波流量計；單片機；時差法；The Design of Ultrasonic Flow Meter SystemFan Weijia (Grade 04,Class 1,Major electronics and information engineering，Electronics and information engineering Dept.，Shaa

3、nxi University of Technology，Hanzhong ，Shaanxi)Tutor: Qin WeiAbstract: Ultrasonic flowmeter is the use of ultrasonic wave propagation characteristics in the fluid to measure the flow rate measuring instruments, and its non-contact measurement, high accuracy and other characteristics in industrial pr

4、oduction, medicine, water and other fields have a wide range of applications. This design uses the principle of transit-time ultrasonic flowmeter, ultrasonic flowmeter for measurement accuracy easily affected by temperature problems using the improved algorithm to avoid the effect of temperature on

5、the measurement accuracy. Design system selected some basic circuit design of the following circuits: ultrasonic transmitter circuit ultrasonic receiver circuit, LED display circuit, master-slave microcontroller circuit, power circuit and a memory circuit, successfully realized its measurement and a

6、ccessibility of instantaneous flow, Overall, this design ultrasonic flowmeter has high accuracy, wide measuring range, easy installation, simple test operation. In addition, this ultrasonic flowmeter design suitable for pipes and open channel flow measurement, suitable for measuring fluid: water or

7、other impurities, less liquid, open channel diameter or width: 0.3 20m, flow rate: 0.1 12m / s.Key words: Ultrasonic flowmeter; single chip microcomputer; time difference method;專心-專注-專業(yè)目錄1引言1.1 選題的目的及研究意義 由于目前國內(nèi)還有大部分的液體流量計是用傳統(tǒng)的接觸式測量法，但是接觸式流量流速測量具有十分明顯及普遍的缺點：受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響十分大，并且難以檢測到強腐蝕性、非導電

8、性、放射性及易燃易爆介質流量的測量，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為傳統(tǒng)接觸式流量計會隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的十分困難，關鍵是造價的提高、使用能量損耗加大、安裝維護困難等等因素使得廠家們與顧客急于尋找一種新的流量測量方法來減少種種環(huán)境或材料等因素對測量的影響。本設計主要通過對超聲波在水中的傳播特性、超聲波傳感器工作機理分析設計一種基于超聲波測量原理測量流量的儀器，并且針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的問題，利用改進型算法避免溫度對測量精度的影響，使得本次設計的超聲波流量計適用于管道和明渠流量測量,測量流體：水或其它雜質較少的液體,管徑或明渠

9、寬度：0.320m,流速：0.112m/s。超聲波流量計是一種非接觸式儀表，它既可以測量大管徑的介質流量也可以用于不易接觸和觀察的介質的測量。它測量液體的準度很高，基本不受被測量的介質的各種參數(shù)的干擾，尤其可以解決其它儀表不能解決的介質有非導電性、放射性、易燃易爆等的流量測量問題。眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般的流量計跟著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上面的各種困難，造價高、耗能大、不好安裝，這些缺點，超聲波流量計都可以完全避免。是因為各種的超聲波流量計都可以在管道外安裝、不用接觸被測物即可測流，儀表的造價與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流

10、量計都會因為口徑的增加，造價也在提高，所以被測管道口徑越大，超聲波流量計比其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被大家廣泛認可。另外，超聲測量儀表的流量測量準確度基本不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，而且又可制成非接觸及便攜式測量儀表，所以可解決其它儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再加上合理的電路，一臺儀表可以適應各種管徑測量和各種范圍的測量。而且超聲波流量計的適應能力也很強。因為超聲波流量計具有上面提到的優(yōu)點因此它越來越被重視起來并且向商業(yè)產(chǎn)品方向發(fā)展，現(xiàn)已制成各種各樣的，比如：標準型、高溫型、防爆型儀表以適應不同情

11、況下的流量測量。因此，設計一種結構簡單、價格低廉的超聲波流量計是非常必要的。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1955年，世界上第一臺超聲波流量計在美國誕生，它使用的技術就是“環(huán)鳴”時差法，用于航空燃料油流量的測量。開啟了超聲波時代，是測量技術的一大突破。上世紀七十年中后期，集成電路的飛速發(fā)展使得高精度的時間測量成為可能，外加高性能、工作穩(wěn)定的鎖相技術（PPL）的出現(xiàn)和應用，超聲波流量計的可靠性能有了基本保證。20世紀90年代后，新材料工藝的不斷涌現(xiàn)，智能化處理技術的發(fā)展，使超聲波流量計的應用范圍獲得擴展。天然氣工業(yè)的發(fā)展，更是促進了超聲波流量計的使用和推廣。當前全世界50多家較大的超聲波流量計生產(chǎn)商都集

12、中于歐美日等國家，其中處于領先水平的有沒美、荷蘭、德、加拿大等國家，這些國家的經(jīng)驗、電子技術、工業(yè)生產(chǎn)都處于優(yōu)勢。著名的有美國的Controlotron 、 Ploysonics，德國的Krohne，荷蘭的Instrormet及日本的橫河。我國在60-70年代，機械工業(yè)部上海工業(yè)自動化儀表研究所、北大研究所相繼開始研究。90年代初估計為8000-10000臺。94年正式出版了中國計量科學院，組織有關專家起草，分別經(jīng)國家技術監(jiān)督局建設部批準的“JJG”198-94速度試流量計的國家計量檢定規(guī)程JJG(建設)0002-94超聲流量計的部門計量檢測規(guī)程。這是中國歷史上超聲波流量計發(fā)展的一個重要標志。

13、我們國家的超聲波流量計的研究技術水平相對于來說還比較落后，但在經(jīng)濟水平不斷提高，綜合國力不斷的增強下，對于超聲波流量計的研究技術水平也在不斷地突破，在目前中國的節(jié)能減耗、可持續(xù)發(fā)展的體制下，我們將超聲波流量使用在重油，天然氣，水等寶貴資源的測控上。近幾年來，由于數(shù)字信號處理技術和微處理器技術的迅速發(fā)展以及新型換能器材料與工藝制作的研究，還有聲道配置及流體動力學的研究，超聲波流量計的研究技術取得了很大的成果，所以它的發(fā)展前景是很廣闊的。超聲波流量計已經(jīng)快速發(fā)展為流量測量方面的第一選擇。雖然超聲波流量計測量技術已經(jīng)發(fā)展很久，但是其應用范圍比較小，但是隨著科學技術水平的不斷提高，國家企業(yè)的快速發(fā)展，

14、需要用超聲波流量計測量的領域越來越多。超聲波流量計的發(fā)展前景在中國非?？捎^，在供水系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、電力、天然氣等眾多領域都需要用到超聲波流量計。超聲波流量計在未來的發(fā)展過程中，技術將會不斷地提升，精確度業(yè)依然會不斷精確。因此，超聲波流量計的設計也尤為重要。超聲波流量計無論是在技術上還是在經(jīng)濟上都是流量計測量的理想選擇，通過多光束和數(shù)字信號處理，超聲波測量儀可以實現(xiàn)很高的測量精確度，。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒有移動的原件，因此，它幾乎不需要維修，它能夠準確的測量到液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需要像機械型技術那樣得到驗證。高靈敏度可以檢測到管道中的任何漏洞，及其細微微小的漏洞也會發(fā)現(xiàn)和不放過。中

15、國是發(fā)展中國家，是科技與經(jīng)濟不斷發(fā)展的國家，超流量計在我國有很大的發(fā)展和上升空間。中國的能源也比較匱乏，尤其是石油天然氣，將在未來石油管道運輸?shù)倪^程中，非常需要這種超聲波流量計測量，以防止泄露和破裂，同時也可以促進節(jié)約能源，進行可持續(xù)發(fā)展。1.3 論文研究的主要內(nèi)容本文通過充分調(diào)研并查閱大量文獻資料，選擇時間差法超聲波流量計，主要研究內(nèi)容如下：1.超聲波傳感器的技術指標及使用方法（擬選擇使用最廣泛的壓電型超聲波傳感器，選取兩個收/發(fā)型超聲波探頭）；2.超聲波探頭的安裝方式對比選?。╖型、V型、W型），擬選擇V型安裝方法；3.時差法超聲波測流量的原理，針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的問題

16、，采用改進型算法將溫度影響在理論上消除；4.單片機芯片的選擇，要求低功耗、低價格、芯片的功能能滿足本設計的所有要求；5.自檢報警模塊：擬采用蜂鳴器進行報警，對流量低于或高于規(guī)定閾值進行報警；6.數(shù)據(jù)處理模塊：要求滿足不低于B級精度，也可以考慮多組測量之后進行處理，如選擇求取算術平均值作為最終測量結果；7.測量結果顯示模塊設計：擬選擇LCD12864顯示模塊；2 設計方案及工作原理超聲波流量計有很多種類，其中應用最廣泛的是多譜勒超聲波流量計，另一種是時差法超聲波流量計。2.1方案一2.1.1多普勒超聲波流量計多普勒超聲流量計是一種利用多普勒效應而進行測量的流量計,它是利用超聲波在流體中有氣泡或者

17、懸浮微粒時，超聲波在傳播過程中被流體氣泡或者懸浮微粒反射從而發(fā)生頻移的多普勒效應來測量的，它只適合在含有雜質微?；驓馀莸牧黧w中進行測量。多普勒超聲流量計可以測量的對象只有非均勻流體，比如：生活污水、工業(yè)廢水、機油、重油。適用管道材質包括金屬、橡膠和塑料等，測速范圍可達到16m/s,使用管徑達到3米，測量精度達到B級。由于適用范圍廣，測量精度高，因此被廣泛認可，目前國也有比很多的廠家生產(chǎn)此類流量計。多普勒(效應)法超聲波流量計是利用在靜止(固定)點檢測從移動源發(fā)射聲波而產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象。水流TSATSBD圖2-1 多普勒超聲波流量計測量原理如圖2-1所示，超聲探頭A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超

18、聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸?，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收探頭B收到頻率為fB的超聲波，其值為： （2-1）式中v一散射體運動速度。多普勒頻移fd： （2-2）測量對象確定后，式(2-2)右邊除v外均為常量，移行后得： （2-3）2.2方案二時差法超聲波流量計時差法超聲波流量計的測量原理是利用了超生波在流體中順流傳播速度和逆流傳播速度的不同會引起超聲波的傳播時間不同，根據(jù)傳播時間的差值來測量流體的速度從而計算出流體的流量。但其自身也分為兩種不同的方法：傳統(tǒng)時差法和改進時差法。時差法超聲波流量計可以測量的流體為一些均勻流體，比如：水、海水、污水、酸堿、汽油、柴油等等。管

19、材的適應能力也比較強，鋼管、鑄鐵管、有機玻璃、PVD管材、玻璃鋼管等它都可以測量，由于測量流體的精確度高，測量流體的流量范圍大，所以在大流量測量系統(tǒng)中得到了重用。2.1.2 傳統(tǒng)時差法圖2-2 傳統(tǒng)時差法測量原理圖流體的速度為v，超聲波在靜止流體中的流速為C，管徑為D，發(fā)射角度為，td為超聲波在傳輸過程中的誤差時間總和，在超聲波順流傳播時，其速度為c+vsin，所以順流時的傳播時間：+td （2-4）在超聲波逆流傳播時，其速度為c-vsin，所以順流時的傳播時間：+td (2-5)順流與逆流的時間差為： (2-6)所以： (2-7)流體速度v的計算與超聲波在靜止流體中的流速C以及時間差t有關，

20、時間差的檢查主要是通過設計的計時器完成，而超聲波在靜止流體中的流速C受溫度影響比較大，在不同的溫度下C不同，所以測量就有了很大的誤差。2.1.3 改進時差法的原理和優(yōu)點圖2-3 改進時差法測量原理圖順流時超聲波在流體中的傳播速度為： （2-8）逆流時超聲波在流體中的傳播速度為： （2-9）兩式相減， （2-10） (2-11 ) 此式中不含有聲速C，只要測出順、逆流傳播時間t1和t2即可，改進時差法避免了系統(tǒng)受溫度的影響，從而提高了系統(tǒng)的測量精度。2.3方案確定本設計利用時差法超聲波流量計原理，針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的問題，利用改進型算法避免溫度對測量精度的影響。另外，本次設計

21、的超聲波流量計適用于管道和明渠流量測量,適合測量的流體：水或其它雜質較少的液體,管徑或明渠寬度：0.320m,流速：0.112m/s?？偟膩碚f，本次設計的超聲波流量計具有精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等特點。3 時差法超聲波流量計的總體設計3.1 超聲波換能器的結構及原理在本次設計中我們需要用到超聲波換能器，那么什么是換能器呢？它是一種電與聲之間的轉換裝置用來控制聲波的發(fā)射與接收。是超聲波流量計中不可或缺的一個部分。它的原理是在發(fā)射時將電能轉換為機械能再轉換為聲能，反之亦然。本次用到的超聲波換能器主要是壓電型。壓電型超聲波換能器主要是靠壓電晶體的諧振來工作的。其結構原理如圖3-1所

22、示：諧振子電極板壓電晶體圖3-1 超聲波換能器結構原理圖超聲波換能器實質上是一個超聲頻電子振蕩器，當我們把電極板產(chǎn)生的電壓加到超聲換能器的壓電晶體上時，壓電晶體組件就會在該電場的作用下產(chǎn)生震蕩并帶動諧振子振動，并推動周圍介質振動。這樣就會把電能轉換為機械能，這種能量沿特定方向傳播出去，就形成了超聲波。反之亦然。3.2 超聲波換能器安裝方式簡介現(xiàn)在大多數(shù)超聲波流量計的安裝方式均采用夾裝式，即將超聲波探頭夾持固定，安裝在被測管道的管壁上，對于單聲道的流量計，其僅有兩個超聲波探頭，它的安裝方法基本有4種，分為：V法、Z法、N法和W法。（NO低功耗）圖3-2 V法安裝示意圖V法安裝方法的應用次數(shù)是最多

23、的，它有很多特點，比如使用簡單、測量準確，可以測量的管徑范圍為20mm-3000mm左右。安裝時特別要注意將兩個超聲波探頭水平方向對齊，要求它的中心線與管道中心線要成水平一線。安裝示意圖如圖3-2所示。 當管道的管徑超出范圍，或者流體中有雜物、管道有污垢或管道里襯特別厚時，V法安裝就不能正常測量了，那么我們就要選擇用Z法進行安裝了。如3-3所示，超聲波在管道中是進行直接傳輸?shù)?，不會發(fā)生折射。圖3-3 Z法安裝示意圖N字安裝方法適合測量管徑小一點的管道，超聲波波束會在管道中進行兩次折射，穿過流體三次，這種N字安裝方法可以提高測量的準確度。安裝示意圖可如3-4所示。圖3-4 N法安裝示意圖W安裝方

24、法的跟N型同理，都是通過延長聲波傳輸距離來使測量精度變高，此種方法適合管徑小于50mm的小管徑管道測量，如圖3-5所示，這種安裝方法跟N型相比多折射了一次，多穿過流體一次。圖3-5 W法安裝示意圖在本設計中，我們的換能器將采用V 字型安裝方法，這樣不但安裝簡便而且還有其他優(yōu)勢，首先可以提高系統(tǒng)的分辨率，其次可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一些附加溫度誤差，然后還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，而且此種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射而對測量產(chǎn)生的干擾。3.3時差法超聲波流量計測量原理及影響測量的主要因素3.3.1時差法超聲波流量計的測量原理超聲波流量計的基本原理是:利用超聲波在

25、流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流速有關系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。本課題的研究對象是時差法超聲波流量計，下面將具體介紹其測量原理。圖3-6 時差法超聲波流量計測量原理圖從圖6所示的時差法超聲波計的測量原理圖中可以看出，兩個超聲波換能器分別安裝在被測流體管徑的兩側，通過一定的方式可以改變超聲波在流體中的傳播方向，通過測量超聲波在流體中的順、逆流的傳播時間差值就可以通過計算測出流體的流速，并且最后計算出流量值。時差法超聲波流量計測量的數(shù)據(jù)是超聲波在流體中的傳播時間差值，通過測量超聲波在順、逆流時的傳播時間差t來獲得流

26、體的流量，具體原理如下:設超聲波順流時的傳播時間為: （3-2）超聲波逆流時的傳播時間為： （3-3）其中D為管道直徑，v為被測流體的流速，超聲波在靜止的液體中的傳播速度為c，為超聲波發(fā)射角度。式(3-2)與式(3-3)相減得：超聲波順逆流的傳播時間差t為: （3-4）由于超聲波在靜止流體中傳播的速度c遠遠大于被測流體的實際流速v，即c>>v。因此可得: （3-5）則(3-4)式可以簡化為: （3-6）將(3-4)中的v移到等式的左邊可以得到其計算公式: （3-7）在式(3-7)中，超聲波在靜止流體中的速度c通常取為常量，一般約為1500m/s，因此，被測流體的流速v只與參數(shù)D、超

27、聲波發(fā)射角度、時間差t有關，而D與視為系統(tǒng)參數(shù)，因此只要測得時間差t便可求得流速v，進而求得流量Q。對于圓形管道而言，流量計算公式為: 其中，K為流體流速修正系數(shù)。從上面的測量原理可以看出，只要測得超聲波順逆流的傳播時間差t就可以計算得到流量值，因此，獲得精度較高的t值才能得到高精度流量測量值。4.時差法超聲波流量計的硬件電路設計4.1整體硬件系統(tǒng)設計框圖根據(jù)時差法流量測量的原理和時差信號比較小的特點，本次設計研究的時差法超聲波流量計主要由兩個部分組成：信號采集部分，信號處理部分及人機接口部分。兩部分分別以主單片機和從單片機為核心，根據(jù)鍵盤的輸入所發(fā)出的命令，進行對應的操作，主要完成超聲波的發(fā)

28、射和接收以及超聲波傳播時間的測量，這部分主要由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、順逆流切換電路、電壓比較電路、計數(shù)控制電路等組成；信號處理及人機接口部分也是以從單片機為核心，主要負責對整個系統(tǒng)的控制、流量的計算還有人機接口服務，包括鍵盤、LED顯示、數(shù)據(jù)存儲等。其系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：圖4-1 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)的工作過程：通過編程使單片機發(fā)出一定的方波脈沖，先對計數(shù)器清零，接著同步啟動發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時使計數(shù)電路開始對高頻方波進行計數(shù)，在接收端接收到脈沖信號后返回發(fā)射端觸發(fā)發(fā)射電路再次發(fā)射超聲波，如此反復形成順流發(fā)射的多脈沖循環(huán)。當完成所定的多脈沖個數(shù)后，關斷高頻方波，計數(shù)

29、器從而停止計時工作。在這個過程中可以得到順流傳播的傳播時間，測量逆流方向傳播的時間同理，然后通過并行口傳輸?shù)絾纹瑱C上。單片機在接收到順、逆流的傳播時間數(shù)值后，將會采用濾波技術對這些時間信號進行相應處理，并且計算出相應的流速和流量，然后保存到存儲器中，最后送到LCD顯示屏上顯示出來。4.2超聲波發(fā)射電路設計單片機系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射啟動信號，以控制超聲波換能器發(fā)射超聲波信號。本部分電路采用單脈沖發(fā)射電路，由脈沖發(fā)生、放大電路構成，單片機發(fā)出的方波信號經(jīng)過三極管放大和變壓器升壓后，達到足夠的功率后驅動換能器產(chǎn)生超聲波。具體電路圖如下：圖4-2 超聲波發(fā)射電路4.3超聲波接收電路設計超聲波換能器發(fā)射出超聲波

30、信號后，會經(jīng)過管壁和待測流體傳播到接收換能器，中間有雜質和氣泡，信號不穩(wěn)定且強度不斷減少，所以需要對接收到的超聲波信號進行濾波和放大處理。設計中，采用二級放大和帶通濾波。第一級放大電路采用低噪聲高速放大器MAX410：一級放大電路圖如下：圖4-3 超聲波接收電路接收到的超聲波信號，經(jīng)過電阻從,MAX410的2、3腳輸入，放大后的信號由MAX410的6腳輸出，輸出的信號一路送到帶通濾波器進行濾波處理，另一路反饋到ICICD4046用來完成鎖相，以保持相位。超聲波信號經(jīng)過一級放大后，用MAX275帶通濾波器濾波之后送到二級放大電路，進行第二次放大。帶通濾波電路設計如下圖：圖4-4 帶通濾波電路超聲

31、波信號經(jīng)過一級放大之后和帶通濾波器之后，信號還比較小，采用具有較高的增益寬帶積INA128放大器，進行二級放大，放大的超聲波信號送到計數(shù)電路。二級放大電路圖如下：圖4-5 二級放大電路4.4超聲波順逆流發(fā)射和接收控制電路設計電路圖如下：圖4-6 超聲波順逆流發(fā)射和接收控制電路超聲波換能器發(fā)射接收的方向由三個雙刀雙置的繼電器開關K1/K2/K3控制，繼電器K1為總開關，如果K1導通，通過K2和K3的導通和關閉情況來控制換能器T1和T2哪個為發(fā)射，哪個為接收。三個繼電器的狀態(tài)分別由單片機的三個位口線來控制。4.5計數(shù)電路的設計單片機晶振頻率取為12MHz,通過P1.5、P1.6和P1.7控制固體繼

32、電器的通斷,進而控制超聲波順流發(fā)射或逆流發(fā)射,而P1.0則對各計數(shù)器清零,P1.2發(fā)出啟動信號。分頻計數(shù)器4040滿, 將在INT1端產(chǎn)生一個下降沿,向單片機申請外部中斷。單片機通過P2.0和P2.1分別使能兩片74LS245,從P0口讀入其中的計數(shù)值。由于超聲波發(fā)射和接收的次數(shù)N可以通過編程來控制，N值不會太大，故計數(shù)電路選用4片74S196芯片串接就可滿足需要。計數(shù)部分的電路圖如下所示：超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路從單片機圖4-7 計數(shù)電路4.6 LCD12864顯示電路設計其各項技術指標和顯示的特性如下：電源：VDD 3.3V+5V；顯示內(nèi)容：128列*64行顯示顏色：黃綠；顯示角度：6

33、：00鐘直視；LCD類型：STN；與MCU接口：8位或4位并行/3位串行；配置LED背光多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等LCD12864顯示電路設計如下圖：圖4-8 LCD12864顯示電路4.7 參數(shù)輸入電路設計鍵盤是人機對話的重要組成部分，本設計中使用了10個數(shù)字鍵和6個功能鍵：選擇修改管道直徑、選擇修改夾角、增一鍵、減一鍵、確認開始鍵和修改鍵。鍵位設計圖和矩陣式鍵盤的電路圖分別如下：圖4-9 鍵位設計圖圖4-10 矩陣式鍵盤電路設計圖4.8 主從單片機之間的電路設計4.8.1 單片機的選擇單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合

34、適的單片機不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有：（1）單片機最基本性能參數(shù)指標。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量，I/O口的引腳數(shù)量等。（2）單片機的某些增強的功能。（3）單片機的存儲介質。（4）單片機的封裝形式。（5）單片機對工作的溫度范圍的要求。（6）單片機的功耗。（7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。（8）單片機技術的支持網(wǎng)站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手

35、冊，設計方案舉例，相關范例程序等。（9）單片機的保密性是否很好，單片機的抗干擾的性能如何等。本設計采用了主從單片機協(xié)同工作的方式。接口連接方式是主從串行通信連接方式。串行口在工作方式0下工作時，本質上是一個移位寄存器，SBUF為移位寄存器的輸入、輸出寄存器，外部引腳RXD為數(shù)據(jù)的輸入/輸出端，外部引腳TXD用來提供數(shù)據(jù)的同步脈沖，移位脈沖為外部晶體頻率的1/12.串行口的工作方式0不支持雙工的工作方式，因此在同一時刻只能夠進行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收操作。這種工作方式導致速度比較慢，但是在數(shù)據(jù)傳輸不太多的情況下，串行通信是非常方便的，通信速率可達1MB/s。（1）數(shù)據(jù)發(fā)送當向SBUF寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)之

36、后，串行口在下一個機器周期開始時把數(shù)據(jù)串行發(fā)送到外部引腳RXD上，首先發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)的最低位，同時，外部引腳TXD上會給出一個時鐘信號，該時鐘信號頻率為單片機工作頻率的1/12,在機器周期的第6節(jié)拍起始時變高，在第3節(jié)拍到來時變低，在第6節(jié)拍的后半段進行一次數(shù)據(jù)移位操作。當SBUF內(nèi)的8位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，串行口將置位TI，申請串行口中斷，并且只有在TI被清除后才能夠進行下一個字節(jié)的發(fā)送。（2）數(shù)據(jù)接收在REN標志位和RI標志同時為零后的下一個機器周期，串行口將1010 1010寫入接收緩沖寄存器，準備接收數(shù)據(jù)。當外部數(shù)據(jù)引腳TXD上的時鐘信號到達后，串行口在該機器周期的第5節(jié)拍的后半段對RXD上

37、的數(shù)據(jù)進行一次采集，并且將該數(shù)據(jù)送入接收緩沖寄存器。當完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)接收后，置位RI并且申請一個串行中斷，只有在RI被清除之后才能夠進行下一次接收。主從單片機之間的連接方式如下圖所示： 圖4-11 主從單片機串行通信示意圖4.9 電源電路本設計采用USB供電，由于從USB的4號引腳出來的是5V的直流電，故可以直接作為單片機供電電路用，如圖4-12所示圖4-12 USB供電電源在使用的過程中，需對電源進行濾波，電源濾波電路如圖4-13所示C110uFC20.1uFVCC圖4-13 電源濾波電路4.10 存儲電路本次設計的數(shù)據(jù)結果非常重要，所以必須需要及時的對測量出的數(shù)據(jù)進行存儲，此外還要存儲

38、流量計的各種參數(shù)，比如管徑、聲路角、修正系數(shù)、計算公式等，所以存儲器選用24C02C，存儲電路如圖4-14所示：SCK6SDA5WP7A01A12A23U224C02CR38.5kR48.5kP2.5P2.6VCC圖4-14 存儲電路圖5 系統(tǒng)軟件設計超聲波流量計系統(tǒng)的軟件設計包括主從單片機兩個部分，主單片機部分主要完成參數(shù)的設定，流量的計算，測量結果的顯示；從單片機部分主要完成超聲波收發(fā)電路的控制，傳播時間的測量，數(shù)據(jù)的檢驗和傳輸?shù)取?.1主單片機軟件設計主單片機軟件部分主要包括參數(shù)處理程序、計算子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序、串行通信子程序等。流量計開啟后主單片機先執(zhí)行系統(tǒng)初始化子程序

39、，包括初始化單片機的系統(tǒng)參數(shù)、程序運行中所需的常數(shù)等，并自動進入?yún)?shù)設置狀態(tài)，然后向從單片機發(fā)送命令；參數(shù)設置完成后，進入主單片機程序的測量和參數(shù)的顯示狀態(tài)，在這一狀態(tài)中程序一直不停的掃描鍵盤，根據(jù)鍵盤輸入的命令跳轉到相應的子程序模塊。 主程序程序設計流程圖如下所示：開 始圖5-1 主程序設計流程圖5.2從單片機程序設計從單片機程序設計部分主要完成超聲波接收和發(fā)射電路的控制、測量數(shù)據(jù)的采集以及檢驗和傳輸，軟件流程圖如下圖所示：開 始圖5-2 從單片機主程序流程圖系統(tǒng)在進行測量前，先要對自身進行檢查，檢查系統(tǒng)各個部分是否正常工作，然后與主單片機建立通訊連接，接收主單片機傳輸來的參數(shù)，然后把參數(shù)存

40、到存儲器中。在接收到主單片機發(fā)送的測量命令后，從單片機就會進行傳播時間的測量，并且檢查傳播時間的可靠性，然后將處理的數(shù)據(jù)通過串口送到主單片機內(nèi)進行相應計算。主從單片機之間采用中斷通訊方式，在從單片機接到停止測量命令后立刻結束測量過程，等待主單片機向其發(fā)送新的指令。5.3主從單片機之間總體設計圖5-3 主從單片機數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖5.4 INT0中斷服務子程序設計INTO中斷服務子程序圖5-4 INT0中斷服務子程序流程圖5.5 鍵盤子程序鍵盤子程序包括三個部分：鍵盤掃描子程序、鍵盤預處理子程序、鍵值處理子程序。鍵盤掃描是對鍵盤的按鍵位置進行判斷，并讀取相應按鍵的鍵號，根據(jù)按鍵號執(zhí)行相應的動作

41、。5.5.1鍵盤掃描主程序流程圖系統(tǒng)采用了行列式鍵盤，其行列掃描程序流程圖如下圖所示：鍵盤掃描程序 圖5-5 鍵盤掃描子程序流程圖5.5.2按鍵預處理子程序流程圖：由于在按鍵過程中，可能同時按下多個鍵或者一個鍵也沒有按下，因此掃描過鍵盤后需要進行按鍵的預處理，按鍵預處理子程序流程圖如下圖所示：按鍵預處理子程序圖5-6 按鍵預處理子程序流程圖5.5.3 鍵值處理子程序流程圖按鍵處理子程序的作用是對16個按鍵的處理，本設計中有09共10個數(shù)字鍵和AF六個功能鍵：A：選擇修改管道直徑鍵；B：選擇修改夾角鍵；C：增一鍵；D：減一鍵；E：確認開始鍵；F：修改鍵。鍵值處理子程序流程圖如下圖所示：按鍵處理圖

42、5-7 鍵值處理子程序流程圖5.6超聲波換能器收發(fā)射電路控制子程序設計本設計中，兩個完全相同的超聲波換能器需要通過單片機進行發(fā)射接收的切換，以實現(xiàn)順逆流傳播的時差測量。其控制流程圖如下所示：換能器收發(fā)切換控制圖5-8 超聲波換能器收發(fā)控制電路控制流程圖6 系統(tǒng)誤差分析超聲波流量計并非直接接觸式的儀表，它是間接式測量的儀表，它對流體流量的測量是將被測流體的各項數(shù)據(jù)作為已知條件，比如：聲速、粘度、管道的內(nèi)徑、管道的壁厚，以及管壁材質的聲速等，通過測量超聲波在流體中順、逆流的傳播時間來計算出流速和流量的。所以，超聲波流量計的各項實際測量誤差包括了很多方面，比如其本身的誤差以及被測流體，被測管道等。而

43、我們此次設計的超聲波流量計需要實現(xiàn)B級測量精度，所以我們必須對各項誤差做全面的分析和研究，然后正確的分析和計算之后最大可能的減少并避免各項可能產(chǎn)生的誤差。6.1 數(shù)據(jù)結果通過查閱各種文獻資料得知，我們在實際測量時測量的是傳輸線上線平均流速，所以為了獲得真實的流量就得通過一定的計算得到面平均流速。當超聲波在層流面?zhèn)鞑r，也就是流量范圍小時，通過流量積分獲得：面平均流速： （1）線平均流速： （2） （3）從（3）可知，超聲波在層流面?zhèn)鞑r，線平均流速乘以3/4才是面平均流速（Vmax才是管道中心的流速）。工作在紊流狀態(tài)時測得的Vs和Vd的如下表1：通過計算：n=7時，Vs=0.933Vd。 n=

44、10時，Vs=0.952Vd。通過上面數(shù)據(jù)的測量，計算以及比對得知，本設計有很多誤差需要分析。6.2 誤差產(chǎn)生因素6.2.1 管徑通過上面的流體流速計算公式我們可以看出，聲速v和被測管道直徑d成正比，而且，被測流體的流量和管道管徑的三次方成正比，因此，對管徑d進行測量產(chǎn)生的 1的誤差會使對流速的計算產(chǎn)生 1的誤差，并使被測流體流量的計算產(chǎn)生 3的誤差。因此在實際測量時，必須對被測管徑用精確度極高的測量工具進行測量，來減小或者避免因為管徑測量誤差對流量產(chǎn)生的誤差。6.2.2 聲束進入流體介質的折射角聲束進入流體介質的折射角其實就是我們在進行探頭的安裝時的安裝角度，由時差法超聲波原理知，當折射角

45、產(chǎn)生偏差時測量結果也會產(chǎn)生相應誤差，所以我們在進行探頭的實際安裝時必須進行精準的安裝，選擇合適的角度進行安裝來減少或者避免這種誤差的產(chǎn)生。6.2.3 傳播延時聲波在被測流體中的順、逆流傳播時間的測量是影響整個系統(tǒng)測量結果的一個非常重要的因素。 但是，在對聲波的傳播時間進行測量時，由于存在各種延遲包括電路延時、換能器轉換延時以及超聲波管壁中傳播的延時等傳播延時，使得我們的測量精度大打折扣。對此我們只能通過計算來盡量減少這種誤差。6.2.4 流體的純凈度流體的純凈度會對超聲波的傳播有一定的影響，在平常的測量中，被測流體不可能是絕對純凈的，里面都會存在一些雜質比如氣泡和固體顆粒，超聲波在傳播過程中肯

46、定會受到這些雜質的影響，比如受到它們的反射，從而產(chǎn)生變化，所以我們在被測流體的選擇中應盡量選擇純凈度相對較高的流體。6.2.5 系統(tǒng)硬件的性能在硬件中，由于電路的焊接，電器元件的老化，各個元器件組裝時的誤差，以及單片機性能，以及超聲波探頭內(nèi)部晶體松動等等誤差，會使得測量結果產(chǎn)生誤差，所以我們在器件的選擇，以及電路的焊接等過程中需要格外的細心，來減少并避免此類誤差對系統(tǒng)測量精度的影響。7 系統(tǒng)軟件的仿真和調(diào)試單片機開發(fā)過程中都要有編程器，硬件開發(fā)器，開發(fā)軟件，指令系統(tǒng)，芯片使用說明書等。隨著科學的進步，開發(fā)手段多種多樣。 C51程序的編寫和編譯鏈接等過程可以在開發(fā)工具“Keil C51”的環(huán)境下

47、進行。工作原理就是利用模擬開發(fā)軟件在計算機上實現(xiàn)對單片機的硬件模擬，指令模擬，運行狀態(tài)模擬，從而完成應用軟件開發(fā)全過程。 另外一個優(yōu)點就是可以不需要硬件就進行全軟件仿真，一切調(diào)試好后將程序燒入芯片，再將芯片插入硬件系統(tǒng)，就可使用了。調(diào)試過程如下： 首先建立一個項目，選擇要保存項目的路徑，并輸入項目文件名，保存;選擇單片機類型（本設計選擇Ateml89C52）,選定CPU型號后，單擊“確定”；接下來創(chuàng)建程序文件，在彈出的編輯窗口中輸入C51源程序；輸入完成后，選擇路徑保存“.C”文件；將創(chuàng)建的程序文件添加到項目中去；程序文件添加完畢后，將鼠標指向“Target 1”并單擊右鍵，再單擊“Optio

48、ns for TargetTarget 1”選擇“Target ”標簽進行相關設置；最后單擊“Buile Target”選項，開始對項目中的程序文件進行編譯連接，沒有錯誤之后，系統(tǒng)就會生成與項目文件同名的可執(zhí)行代碼及用于EPROM編程的Hex文件。將生成的HEX文件下載到單片機系統(tǒng)中，就可以運行相應的程序。致謝感謝我的導師秦偉老師，班主任張志偉老師，他們嚴謹細致，一絲不茍的作風一直是我工作，學習的榜樣，他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。重點感謝我的導師秦偉老師，這篇論文的每個細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開你的細心指導。而你開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很快的融入到我們這個設計課

49、題中。感謝我的室友們，從遙遠的家來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我們沒有紅過臉，沒有吵過嘴，沒有發(fā)生上大學前所擔心的任何不開心的事情。只是今后大家就難得再聚在一起吃每年元旦的那頓飯了吧，沒關系，各奔前程，大家珍重。我們在一起的日子，我會記一輩子的。感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。 在設計即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到設計的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！參考文獻1 周會映.相關超聲波流

50、量計中相關器的硬件實現(xiàn)D.電子科技大學,2008.2 趙景波，王臣業(yè).Protel99SE電路設計基礎與工程范例M. 北京：清華大學出版社，2008.3 吳衛(wèi)玲，宋喜報.基于超聲波原理的流量計的設計及軟件實現(xiàn)J.實用測試技術，2009. .4 樓然苗，單片機課程設計指導. 北京航空航天大學出版社M，2007年.5 劉海成，曲貴波.單片機及應用原理教程M.北京：中國電力出版社，2012.7.6 李曉娜.基于超聲波的流量測量技術的研究D.內(nèi)蒙古，內(nèi)蒙古科技大學，2010.5. 7 馬彪.超聲波流量計的特點及誤差分析J.科技資訊,2014.06.30.8 穆軍.超聲波流量計的應用優(yōu)勢及應用關注探討J

51、.自控技術應用用,20 王莉，曹譯恒，任勝杰，牛群峰.基于Cortx-M3的低功耗多聲道超聲液體流量計設計J.2014-11-06.10 王可.基于FPGA的超聲波流量計D.齊魯工業(yè)大學,2013.05.22.11 胡長江.基于FPGA的超聲波液體流量計的設計D.哈爾濱理工大學,2013.3.12 殷人昆.數(shù)據(jù)結構:C語言描述M.清華大學出版社,2012.13 孫望，王魯海，王兆杰，于大勇，朱雨建，揚基明.基于PIV測量的超聲波流量計內(nèi)流場特性研究J.2014.12.14 李玉娟，馬華.C語言程序設計實驗指導M.人民郵電出版社,2012.15 門宏.LED實用電路解讀.化學

52、工業(yè)出版社M.2012.16 Samuel.P.Harbison.C語言參考手冊M.人民郵電出版社,2007.17 梅海舟.基于TDC-GP21型超聲波流量計的開發(fā)與研究D.2012.11.18 馮先成.單片機原理與應用M.電子工業(yè)出版社.2013.19 楊打生，宋偉.單片機C51技術應用M.北京理工出版社.2011.20Cowan, A. L. Stevens, V. C. Roberts. Design of a continuous-wave Doppler ultrasonic flowmeter for perivascular applicationJ. Medical & Biological Engine