超声波流量计系统的设计

1、超声波流量计系统的设计 樊 伟 佳 （陕西理工学院 电信工程系 电子信息工程专业,2012 级 1 班，陕西 汉中 ） 指导教师：秦伟 摘要 超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表，并且以其非接触式的测量、 高精度等特点在工业生产、医药、水资源等领域有着广泛的应用。本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声 波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。设计系统时选择了一些基 本电路设计了以下电路：超声波发射电路，超声波接收电路，LED 显示电路，主从单片机电路，电源电路以及存储 电路等，成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，总的来说

2、，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范 围大、安装方便、测试操作简单等特点。另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的 流体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.320m,流速：0.112m/s。 关键词 超声波流量计；单片机；时差法； The Design of Ultrasonic Flow Meter System Fan Weijia (Grade 04,Class 1,Major electronics and information engineering，Electronics and information engineering Dept.，

3、Shaanxi University of Technology，Hanzhong ，Shaanxi) Tutor: Qin Wei Abstract: 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 industr

4、ial production, 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 temperatu

5、re on 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 measuremen

6、t and accessibility 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: wa

7、ter or 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; 目录 1 1 引言引言.4 4 1.1 选题的目的及研究意义 .4 1.2 国内外研究现状 .5 1.3 论文研究的主要内容 .6 2 2 设计方案及工作原理设计方案及工作原理 .7 7 2.1 方案一.8 2.1.1 多普勒

8、超声波流量计.8 2.2 方案二.8 2.1.2 传统时差法.9 2.1.3 改进时差法的原理和优点.10 2.3 方案确定.10 3 3 时差法超声波流量计的总体设计时差法超声波流量计的总体设计 .1111 3.1 超声波换能器的结构及原理 .11 3.2 超声波换能器安装方式简介 .11 3.3 时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素.12 4 4 时差法超声波流量计的硬件电路设计时差法超声波流量计的硬件电路设计 .1515 4.1 整体硬件系统设计框图.15 4.2 超声波发射电路设计.15 4.3 超声波接收电路设计.16 4.4 超声波顺逆流发射和接收控制电路设计.18 4.

9、5 计数电路的设计.18 4.6 LCD12864 显示电路设计 .19 4.7 参数输入电路设计 .20 4.8 主从单片机之间的电路设计 .21 4.8.1 单片机的选择.21 4.9 电源电路 .22 4.10 存储电路 .23 5 5 系统软件设计系统软件设计 .2525 5.1 主单片机软件设计.25 5.2 从单片机程序设计.25 5.3 主从单片机之间总体设计.26 5.4 INT0 中断服务子程序设计 .27 5.5 键盘子程序 .27 5.5.1 键盘扫描主程序流程图.27 5.5.2 按键预处理子程序流程图：.28 5.5.3 键值处理子程序流程图.29 5.6 超声波换能

10、器收发射电路控制子程序设计.30 6 6 系统误差分析系统误差分析 .3232 6.1 数据结果 .32 6.2 误差产生因素 .32 6.2.1 管径.32 6.2.2 声束进入流体介质的折射角.32 6.2.3 传播延时.33 6.2.4 流体的纯净度.33 6.2.5 系统硬件的性能.33 7 7 系统软件的仿真和调试系统软件的仿真和调试 .3434 致谢致谢 .3535 参考文献参考文献 .3636 附件一：电路图附件一：电路图 .3737 附件二：主单片机程序附件二：主单片机程序 .3838 1 引言 1.1 选题的目的及研究意义选题的目的及研究意义 由于目前国内还有大部分的液体流量

11、计是用传统的接触式测量法，但是接触式流量流速测量 具有十分明显及普遍的缺点：受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以 检测到强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质流量的测量，目前的工业流量测量普遍存在着 大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大会带来制造和 运输上的十分困难，关键是造价的提高、使用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们与 顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环境或材料等因素对测量的影响。 本设计主要通过对超声波在水中的传播特性、超声波传感器工作机理分析设计一种基于超声波 测量原理测量流量的仪器，并且针对超声波流

12、量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算 法避免温度对测量精度的影响，使得本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,测量流 体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.320m,流速：0.112m/s。 超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观 察的介质的测量。它测量液体的准度很高，基本不受被测量的介质的各种参数的干扰，尤其可以解 决其它仪表不能解决的介质有非导电性、放射性、易燃易爆等的流量测量问题。 众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般的 流量计跟着测量管径的增大会带来制造和运输上面的各种困

13、难，造价高、耗能大、不好安装，这些 缺点，超声波流量计都可以完全避免。是因为各种的超声波流量计都可以在管道外安装、不用接触 被测物即可测流，仪表的造价与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计都会因为口径的增加， 造价也在提高，所以被测管道口径越大，超声波流量计比其它类型流量计的功能价格比越优越。被 大家广泛认可。 另外，超声测量仪表的流量测量准确度基本不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影 响，而且又可制成非接触及便携式测量仪表，所以可解决其它仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电 性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再加上合理的电路，一 台仪表可以适应各种管径

14、测量和各种范围的测量。而且超声波流量计的适应能力也很强。因为超声 波流量计具有上面提到的优点因此它越来越被重视起来并且向商业产品方向发展，现已制成各种各 样的，比如：标准型、高温型、防爆型仪表以适应不同情况下的流量测量。 因此，设计一种结构简单、价格低廉的超声波流量计是非常必要的。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1955 年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是“环鸣”时差法，用于 航空燃料油流量的测量。开启了超声波时代，是测量技术的一大突破。上世纪七十年中后期，集成 电路的飞速发展使得高精度的时间测量成为可能，外加高性能、工作稳定的锁相技术（PPL）的出 现和应用，超

15、声波流量计的可靠性能有了基本保证。20 世纪 90 年代后，新材料工艺的不断涌现， 智能化处理技术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展。天然气工业的发展，更是促进了超 声波流量计的使用和推广。当前全世界 50 多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家， 其中处于领先水平的有没美、荷兰、德、加拿大等国家，这些国家的经验、电子技术、工业生产都 处于优势。著名的有美国的 Controlotron 、 Ploysonics，德国的 Krohne，荷兰的 Instrormet 及日本 的横河。我国在 60-70 年代，机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北大研究所相继开始研究。 90 年代初

16、估计为 8000-10000 台。94 年正式出版了中国计量科学院，组织有关专家起草，分别经国 家技术监督局建设部批准的“JJG”198-94 速度试流量计的国家计量检定规程 JJG(建设)0002-94 超声 流量计的部门计量检测规程。这是中国历史上超声波流量计发展的一个重要标志。我们国家的超声 波流量计的研究技术水平相对于来说还比较落后，但在经济水平不断提高，综合国力不断的增强下， 对于超声波流量计的研究技术水平也在不断地突破，在目前中国的节能减耗、可持续发展的体制下， 我们将超声波流量使用在重油，天然气，水等宝贵资源的测控上。近几年来，由于数字信号处理技 术和微处理器技术的迅速发展以及新

17、型换能器材料与工艺制作的研究，还有声道配置及流体动力学 的研究，超声波流量计的研究技术取得了很大的成果，所以它的发展前景是很广阔的。超声波流量 计已经快速发展为流量测量方面的第一选择。虽然超声波流量计测量技术已经发展很久，但是其应 用范围比较小，但是随着科学技术水平的不断提高，国家企业的快速发展，需要用超声波流量计测 量的领域越来越多。超声波流量计的发展前景在中国非常可观，在供水系统、工业生产、电力、天 然气等众多领域都需要用到超声波流量计。超声波流量计在未来的发展过程中，技术将会不断地提 升，精确度业依然会不断精确。因此，超声波流量计的设计也尤为重要。超声波流量计无论是在技 术上还是在经济上

18、都是流量计测量的理想选择，通过多光束和数字信号处理，超声波测量仪可以实 现很高的测量精确度， 。与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的原件，因此，它几乎不需要维修， 它能够准确的测量到液态石油气产品的宽频，而不需要像机械型技术那样得到验证。高灵敏度可以 检测到管道中的任何漏洞，及其细微微小的漏洞也会发现和不放过。中国是发展中国家，是科技与 经济不断发展的国家，超流量计在我国有很大的发展和上升空间。中国的能源也比较匮乏，尤其是 石油天然气，将在未来石油管道运输的过程中，非常需要这种超声波流量计测量，以防止泄露和破 裂，同时也可以促进节约能源，进行可持续发展。 1.3 论文研究的主要内容论文研究的主

19、要内容 本文通过充分调研并查阅大量文献资料，选择时间差法超声波流量计，主要研究内容如下： 1.超声波传感器的技术指标及使用方法（拟选择使用最广泛的压电型超声波传感器，选取两个 收/发型超声波探头） ； 2.超声波探头的安装方式对比选取（Z 型、V 型、W 型） ，拟选择 V 型安装方法； 3.时差法超声波测流量的原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，采用改进 型算法将温度影响在理论上消除； 4.单片机芯片的选择，要求低功耗、低价格、芯片的功能能满足本设计的所有要求； 5.自检报警模块：拟采用蜂鸣器进行报警，对流量低于或高于规定阈值进行报警； 6.数据处理模块：要求满足不低于 B

20、级精度，也可以考虑多组测量之后进行处理，如选择求取 算术平均值作为最终测量结果； 7.测量结果显示模块设计：拟选择 LCD12864 显示模块； 2 设计方案及工作原理 超声波流量计有很多种类，其中应用最广泛的是多谱勒超声波流量计，另一种是时差法超声波 流量计。 2.1 方案一方案一 2.1.1 多普勒超声波流量计 多普勒超声流量计是一种利用多普勒效应而进行测量的流量计,它是利用超声波在流体中有气 泡或者悬浮微粒时，超声波在传播过程中被流体气泡或者悬浮微粒反射从而发生频移的多普勒效应 来测量的，它只适合在含有杂质微粒或气泡的流体中进行测量。 多普勒超声流量计可以测量的对象只有非均匀流体，比如：

21、生活污水、工业废水、机油、重油。 适用管道材质包括金属、橡胶和塑料等，测速范围可达到 16m/s,使用管径达到 3 米，测量精度达 到 B 级。由于适用范围广，测量精度高，因此被广泛认可，目前国也有比很多的厂家生产此类流量 计。 多普勒(效应)法超声波流量计是利用在静止(固定)点检测从移动源发射声波而产生多普勒频移 现象。 水流 TSA TSB D 图2-1 多普勒超声波流量计测量原理 如图2-1所示，超声探头A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗 粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收探头B收到频率为fB的超声波，其值为： （2-1） cos cosc

22、f vcc v fA B 式中v一散射体运动速度。 多普勒频移fd： （2-2） c v fff AABd sin2 f 测量对象确定后，式(2-2)右边除v外均为常量，移行后得： （2-3） A d f f v cos2 c 2.2 方案二方案二 时差法超声波流量计 时差法超声波流量计的测量原理是利用了超生波在流体中顺流传播速度和逆流传播速度的不同 会引起超声波的传播时间不同，根据传播时间的差值来测量流体的速度从而计算出流体的流量。但 其自身也分为两种不同的方法：传统时差法和改进时差法。 时差法超声波流量计可以测量的流体为一些均匀流体，比如：水、海水、污水、酸碱、汽油、 柴油等等。管材的适应

23、能力也比较强，钢管、铸铁管、有机玻璃、PVD 管材、玻璃钢管等它都可 以测量，由于测量流体的精确度高，测量流体的流量范围大，所以在大流量测量系统中得到了重用。 2.1.2 传统时差法 图2-2 传统时差法测量原理图 流体的速度为v，超声波在静止流体中的流速为C，管径为D，发射角度为，td为超声波在传 输过程中的误差时间总和，在超声波顺流传播时，其速度为c+vsin，所以顺流时的传播时间： +td （2-4） sin cos2 1 vC d t 在超声波逆流传播时，其速度为 c-vsin，所以顺流时的传播时间： +td (2-5) sin cos2 2 vC d t 顺流与逆流的时间差为： (2

24、-6) 222 21 sin 4 vC dvtg ttt 所以： (2-7)t dtg C v 4 2 流体速度v的计算与超声波在静止流体中的流速C以及时间差t有关，时间差的检查主要是通 过设计的计时器完成，而超声波在静止流体中的流速C受温度影响比较大，在不同的温度下C不同， 所以测量就有了很大的误差。 2.1.3 改进时差法的原理和优点 图2-3 改进时差法测量原理图 顺流时超声波在流体中的传播速度为： （2-8） 1 cos2 sin t d vC 逆流时超声波在流体中的传播速度为： （2-9） 2 cos2 sin t d vC 两式相减， （2-10） 2sin 2 21 12 d t

25、 t tt v (2-11 )dvQ 此式中不含有声速 C，只要测出顺、逆流传播时间 t1 和 t2 即可，改进时差法避免了系统受温度 的影响，从而提高了系统的测量精度。 2.3 方案确定方案确定 本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利 用改进型算法避免温度对测量精度的影响。 另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的流体：水或其它杂质 较少的液体,管径或明渠宽度：0.320m,流速：0.112m/s。 总的来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等特 点。 3 时差法超声波流量计的总体设计 3

26、.1 超声波换能器的结构及原理超声波换能器的结构及原理 在本次设计中我们需要用到超声波换能器，那么什么是换能器呢？它是一种电与声之间的转换 装置用来控制声波的发射与接收 。是超声波流量计中不可或缺的一个部分。它的原理是在发射时将电 能转换为机械能再转换为声能，反之亦然。本次用到的超声波换能器主要是压电型。 压电型超声波换能器主要是靠压电晶体的谐振来工作的。其结构原理如图3-1 所示： 谐振子 电极板 压电晶体 图 3-1 超声波换能器结构原理图 超声波换能器实质上是一个超声频电子振荡器，当我们把电极板产生的电压加到超声换能器的 压电晶体上时，压电晶体组件就会在该电场的作用下产生震荡 并带动谐振

27、子振动，并推动周围介质 振动。这样就会把电能转换为机械能， 这种能量沿特定方向传播出去，就形成了超声波。反之亦然。 3.2 超声波换能器安装方式简介超声波换能器安装方式简介 现在大多数超声波流量计的安装方式均采用夹装式，即将超声波探头夹持固定，安装在被测管 道的管壁上，对于单声道的流量计，其仅有两个超声波探头，它的安装方法基本有 4 种，分为：V 法、Z 法、N 法和 W 法。 （NO 低功耗） 图 3-2 V 法安装示意图 V 法安装方法的应用次数是最多的，它有很多特点，比如使用简单、测量准确，可以测量的管 径范围为 20mm-3000mm 左右。安装时特别要注意将两个超声波探头水平方向对齐

28、，要求它的中心线 与管道中心线要成水平一线。安装示意图如图 3-2 所示。 当管道的管径超出范围，或者流体中有杂物、管道有污垢或管道里衬特别厚时，V 法安装就 不能正常测量了，那么我们就要选择用 Z 法进行安装了。如 3-3 所示，超声波在管道中是进行直接 传输的，不会发生折射。 图 3-3 Z 法安装示意图 N 字安装方法适合测量管径小一点的管道，超声波波束会在管道中进行两次折射，穿过流体三 次，这种 N 字安装方法可以提高测量的准确度。安装示意图可如 3-4 所示。 图 3-4 N 法安装示意图 W 安装方法的跟 N 型同理，都是通过延长声波传输距离来使测量精度变高，此种方法适合管径 小于

29、 50mm 的小管径管道测量，如图 3-5 所示，这种安装方法跟 N 型相比多折射了一次，多穿过流 体一次。 图 3-5 W 法安装示意图 在本设计中，我们的换能器将采用V 字型安装方法，这样不但安装简便而且还有其他优势，首 先可以提高系统的分辨率，其次可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差， 然后还可以减少流速断面分布不均匀的误差，而且此种方法也可以减少超声波在声道中多次反射而 对测量产生的干扰。 3.3 时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素 3.3.1 时差法超声波流量计的测量原理 超声波流量计的基本原理是:利用超

30、声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而 传播时间的差异与被测流体的流速有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以 计算出流体的流量。本课题的研究对象是时差法超声波流量计，下面将具体介绍其测量原理。 图 3-6 时差法超声波流量计测量原理图 从图 6 所示的时差法超声波计的测量原理图中可以看出，两个超声波换能器分别安装在被测流 体管径的两侧，通过一定的方式可以改变超声波在流体中的传播方向，通过测量超声波在流体中的 顺、逆流的传播时间差值就可以通过计算测出流体的流速，并且最后计算出流量值。 时差法超声波流量计测量的数据是超声波在流体中的传播时间差值，通过测量超声波在顺、逆

31、 流时的传播时间差t 来获得流体的流量，具体原理如下: 设超声波顺流时的传播时间为: （3-2） vcosc sin/ t1 D 超声波逆流时的传播时间为： （3-3） vcosc sin/ t2 D 其中 D 为管道直径，v 为被测流体的流速，超声波在静止的液体中的传播速度为 c， 为超声 波发射角度。 式(3-2)与式(3-3)相减得：超声波顺逆流的传播时间差t 为: （3-4） )cos(sin cos2 222 12 vc Dv ttt 由于超声波在静止流体中传播的速度 c 远远大于被测流体的实际流速 v，即 cv。因此可得: （3-5） 2222 cosccv 则(3-4)式可以简化

32、为: （3-6） 将(3-4)中的 v 移到等式的左边可以得到其计算公式: （3-7）t D c 2 tan v 2 在式(3-7)中，超声波在静止流体中的速度 c 通常取为常量，一般约为 1500m/s，因此，被测 流体的流速 v 只与参数 D、超声波发射角度 、时间差t 有关，而 D 与 视为系统参数，因此 只要测得时间差t 便可求得流速 v，进而求得流量 Q。对于圆形管道而言，流量计算公式为: tan 2 t 2 c Dv 其中，K 为流体流速修正系数。 从上面的测量原理可以看出，只要测得超声波顺逆流的传播时间差t 就可以计算得到流量值， 因此，获得精度较高的t 值才能得到高精度流量测量

33、值。 t 8 tan 4 v 22 K Dc K vD Q 4.时差法超声波流量计的硬件电路设计 4.1 整体硬件系统设计框图整体硬件系统设计框图 根据时差法流量测量的原理和时差信号比较小的特点，本次设计研究的时差法超声波流量计主要 由两个部分组成：信号采集部分，信号处理部分及人机接口部分。两部分分别以主单片机和从单片机 为核心，根据键盘的输入所发出的命令，进行对 应的操作，主要完成超声波的发射和接收以及 超声波 传播时间的测量，这部分主要由超声波发射电路、接收放大电路、顺逆流切换电路、电压 比较电路、 计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分也是以从单片机 为核心，主要负责对整个系统的控制

34、、 流量的计算还有人机接口服务，包括键盘、 LED 显示、数据存储等。其系统框图如图4-1 所示： 从单片机主单片机 键盘 计数 电路 信号 调理 发射电路 切换开关 接收电路LED V 图 4-1 系统硬件框图 系统的工作过程：通过编程使单片机发出一定的方波脉冲，先对计数器清零，接着同步启动发 射电路触发超声波换能器发射超声波，同时使计数电路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到 脉冲信号后返回发射端触发发射电路再次发射超声波，如此反复形成顺流发射的多脉冲循环。当完 成所定的多脉冲个数后，关断高频方波，计数器从而停止计时工作。在这个过程中可以得到顺流传 播的传播时间，测量逆流方向传播的时间同

35、理，然后通过并行口传输到单片机上。单片机在接收到 顺、逆流的传播时间数值后，将会采用滤波技术对这些时间信号进行相应处理，并且计算出相应的 流速和流量，然后保存到存储器中，最后送到LCD 显示屏上显示出来。 4.2 超声波发射电路设计超声波发射电路设计 单片机系统发出发射启动信号，以控制超声波换能器发射超声波信号。本部分电路采用单脉冲 发射电路，由脉冲发生、放大电路构成，单片机发出的方波信号经过三极管放大和变压器升压后， 达到足够的功率后驱动换能器产生超声波。具体电路图如下： 图 4-2 超声波发射电路 4.3 超声波接收电路设计超声波接收电路设计 超声波换能器发射出超声波信号后，会经过管壁和待

36、测流体传播到接收换能器，中间有杂质和 气泡，信号不稳定且强度不断减少，所以需要对接收到的超声波信号进行滤波和放大处理。 设计中，采用二级放大和带通滤波。 第一级放大电路采用低噪声高速放大器 MAX410： 一级放大电路图如下： 图 4-3 超声波接收电路 接收到的超声波信号，经过电阻从,MAX410 的 2、3 脚输入，放大后的信号由 MAX410 的 6 脚输 出，输出的信号一路送到带通滤波器进行滤波处理，另一路反馈到 ICICD4046 用来完成锁相，以保 持相位。 超声波信号经过一级放大后，用 MAX275 带通滤波器滤波之后送到二级放大电路，进行第二次 放大。带通滤波电路设计如下图：

37、图 4-4 带通滤波电路 超声波信号经过一级放大之后和带通滤波器之后，信号还比较小，采用具有较高的增益宽带积 INA128 放大器，进行二级放大，放大的超声波信号送到计数电路。二级放大电路图如下： 图 4-5 二级放大电路 4.4 超声波顺逆流发射和接收控制电路设计超声波顺逆流发射和接收控制电路设计 电路图如下： 图 4-6 超声波顺逆流发射和接收控制电路 超声波换能器发射接收的方向由三个双刀双置的继电器开关 K1/K2/K3 控制，继电器 K1 为总 开关，如果 K1 导通，通过 K2 和 K3 的导通和关闭情况来控制换能器 T1 和 T2 哪个为发射，哪个 为接收。三个继电器的状态分别由单

38、片机的三个位口线来控制。 4.5 计数电路的设计计数电路的设计 单片机晶振频率取为 12MHz,通过 P1.5、P1.6和 P1.7控制固体继电器的通断,进而控制超声波顺 流发射或逆流发射,而 P1.0则对各计数器清零,P1.2发出启动信号。分频计数器 4040 满, 将在 INT1 端产生一个下降沿,向单片机申请外部中断。单片机通过 P2.0和 P2.1分别使能两片 74LS245,从 P0 口读入其中的计数值。由于超声波发射和接收的次数 N 可以通过编程来控制，N 值不会太大，故 计数电路选用 4 片 74S196 芯片串接就可满足需要。 计数部分的电路图如下所示： 图 4-7 计数电路

39、4.6 LCD12864 显示电路设计显示电路设计 其各项技术指标和显示的特性如下： 电源：VDD 3.3V+5V； 显示内容：128 列*64 行显示颜色：黄绿； 显示角度：6：00 钟直视； LCD 类型：STN； 与 MCU 接口：8 位或 4 位并行/3 位串行； 配置 LED 背光 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等 LCD12864 显示电路设计如下图： 从单片机超声波发射电路 超声波接收电路 图 4-8 LCD12864 显示电路 4.7 参数输入电路设计参数输入电路设计 键盘是人机对话的重要组成部分，本设计中使用了 10 个数字键和 6 个功能键：选择修改

40、管道 直径、选择修改夹角、增一键、减一键、确认开始键和修改键。键位设计图和矩阵式键盘的电路图 分别如下： 1234 5 9 C 678 0AB DEF 图 4-9 键位设计图 图 4-10 矩阵式键盘电路设计图 4.8 主从单片机之间的电路设计主从单片机之间的电路设计 4.8.1 单片机的选择 单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单 片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来 说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一 般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几

41、个方面有： （1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O 口 的引脚数量等。 （2）单片机的某些增强的功能。 （3）单片机的存储介质。 （4）单片机的封装形式。 （5）单片机对工作的温度范围的要求。 （6）单片机的功耗。 （7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。 （8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册， 设计方案举例，相关范例程序等。 （9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。 本设计采用了主从单片机协同工作的方式。接口连接方式是主从串行通信连接方式。串行口在 工作方式 0 下工作

42、时，本质上是一个移位寄存器，SBUF 为移位寄存器的输入、输出寄存器，外部 引脚 RXD 为数据的输入/输出端，外部引脚 TXD 用来提供数据的同步脉冲，移位脉冲为外部晶体频 率的 1/12.串行口的工作方式 0 不支持双工的工作方式，因此在同一时刻只能够进行数据发送或接 收操作。这种工作方式导致速度比较慢，但是在数据传输不太多的情况下，串行通信是非常方便的， 通信速率可达 1MB/s。 （1）数据发送 当向 SBUF 写入一个字节的数据之后，串行口在下一个机器周期开始时把数据串行发送到外部 引脚 RXD 上，首先发送字节数据的最低位，同时，外部引脚 TXD 上会给出一个时钟信号，该时钟信 号

43、频率为单片机工作频率的 1/12,在机器周期的第 6 节拍起始时变高，在第 3 节拍到来时变低，在 第 6 节拍的后半段进行一次数据移位操作。当 SBUF 内的 8 位数据发送完成后，串行口将置位 TI， 申请串行口中断，并且只有在 TI 被清除后才能够进行下一个字节的发送。 （2）数据接收 在 REN 标志位和 RI 标志同时为零后的下一个机器周期，串行口将 1010 1010 写入接收缓冲寄 存器，准备接收数据。当外部数据引脚 TXD 上的时钟信号到达后，串行口在该机器周期的第 5 节拍 的后半段对 RXD 上的数据进行一次采集，并且将该数据送入接收缓冲寄存器。当完成一个字节的数 据接收后

44、，置位 RI 并且申请一个串行中断，只有在 RI 被清除之后才能够进行下一次接收。 主从单片机之间的连接方式如下图所示： P1.1 INT0P1.1 TXDTXD RXDRXD INT0 主 单 片 机 从 单 片 机 图 4-11 主从单片机串行通信示意图 4.9 电源电路电源电路 本设计采用USB 供电，由于从USB 的 4 号引脚出来的是5V 的直流电，故可以直接作为单片机供 电电路用，如图4-12 所示 VCC 1 D+ 3 D- 2 GND 4 J1 USBCONN VCC 图 4-12 USB 供电 电源在使用的过程中，需对电源进行滤波，电源滤波电路如图4-13 所示 C1 10u

45、F C2 0.1uF VCC 图 4-13 电源滤波电路 4.10 存储电路存储电路 本次设计的数据结果非常重要，所以必须需要及时的对测量出的数据进行存储，此外还要存储 流量计的各种参数，比如管径、声路角、修正系数、计算公式等，所以存储器选用 24C02C，存储电 路如图 4-14 所示： SCK 6 SDA 5 WP 7 A0 1 A1 2 A2 3 U2 24C02C R3 8.5k R4 8.5k P2.5 P2.6 VCC 图 4-14 存储电路图 5 系统软件设计 超声波流量计系统的软件设计包括主从单片机两个部分，主单片机部分主要完成参数的设定， 流量的计算，测量结果的显示；从单片机

46、部分主要完成超声波收发电路的控制，传播时间的测量， 数据的检验和传输等。 5.1 主单片机软件设计主单片机软件设计 主单片机软件部分主要包括参数处理程序、 、计算子程序、键盘处理子程序、显示子程序、串 行通信子程序等。 流量计开启后主单片机先执行系统初始化子程序，包括初始化单片机的系统参数、程序运行中 所需的常数等，并自动进入参数设置状态，然后向从单片机发送命令；参数设置完成后，进入主单 片机程序的测量和参数的显示状态，在这一状态中程序一直不停的扫描键盘，根据键盘输入的命令 跳转到相应的子程序模块。 主程序程序设计流程图如下所示： 图 5-1 主程序设计流程图 5.2 从单片机程序设计从单片机

47、程序设计 从单片机程序设计部分主要完成超声波接收和发射电路的控制、测量数据的采集以及检验和传 输，软件流程图如下图所示： 开 始 图 5-2 从单片机主程序流程图 系统在进行测量前，先要对自身进行检查，检查系统各个部分是否正常工作，然后与主单片机 建立通讯连接，接收主单片机传输来的参数，然后把参数存到存储器中。在接收到主单片机发送的 测量命令后，从单片机就会进行传播时间的测量，并且检查传播时间的可靠性，然后将处理的数据 通过串口送到主单片机内进行相应计算。主从单片机之间采用中断通讯方式，在从单片机接到停止 测量命令后立刻结束测量过程，等待主单片机向其发送新的指令。 5.3 主从单片机之间总体设

48、计主从单片机之间总体设计 主从数据发送子 程序 将发送标志置位 调握手子函数 调数据发送子函数 将发送模式标志位清除 返回 图 5-3 主从单片机数据发送子程序流程图 开 始 5.4 INT0 中断服务子程序设计中断服务子程序设计 图 5-4 INT0 中断服务子程序流程图 5.5 键盘子程序键盘子程序 键盘子程序包括三个部分：键盘扫描子程序、键盘预处理子程序、键值处理子程序。键盘扫描 是对键盘的按键位置进行判断，并读取相应按键的键号，根据按键号执行相应的动作。 5.5.1 键盘扫描主程序流程图 系统采用了行列式键盘，其行列扫描程序流程图如下图所示： INTO 中断服务子程序 图 5-5 键盘

49、扫描子程序流程图 5.5.2 按键预处理子程序流程图： 由于在按键过程中，可能同时按下多个键或者一个键也没有按下，因此扫描过键盘后需要进行 按键的预处理，按键预处理子程序流程图如下图所示： 键盘扫描程序 图 5-6 按键预处理子程序流程图 5.5.3 键值处理子程序流程图 按键处理子程序的作用是对 16 个按键的处理，本设计中有 09 共 10 个数字键和 AF 六个功 能键： A：选择修改管道直径键； B：选择修改夹角键； C：增一键； D：减一键； E：确认开始键； F：修改键。 键值处理子程序流程图如下图所示： 按键预处理子程序 图 5-7 键值处理子程序流程图 5.6 超声波换能器收发射电路控制子程序设计超声波换能器收发射电路控制子程序设计 本设计中，两个完全相同的超声波换能器需要通过单片机进行发射接收的切换，以实现顺逆流 传播的时差测量。其控制流程图如下所示： 按键处理 图 5-8 超声波换能器收发控制电路控制流程图 换能器收发切换控制 6 系统误差分析 超声波流量计并非直接接触式的仪表，它是 间接式测量的仪表，它对流体