课程设计-- 基于超声波原理的流量计设计

1、. 基于超声波原理的流量计设计1.设计思路按照题目要求设计一个主要是基于超声波时差法结合P89LPC932单片机完成整个系统的设计，其中时间测量采用单片机对微小时间进行测量，流量测量值由数码管显示。超声波流量计是由超声波换能器、电子线路及流量显示和累计系统三部分组成。超声波时差法完成整个设计的关键问题是：时差法的工作原理是什么；超声波换能器如何进行转换；如何进行微小时间的测量。2.方案设计2.1 时差法超声波流量计的原理 时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超

2、声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。超声波在流动的流体中传播时就载上的流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。图1 时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：其中：c是超声波在非流动介质中

3、的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：式中X是两个换能器在管线方向上的间距。为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：上式可简化为：也就是流体的流速为： 由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为： 如果已经知道了L、c、D 和 ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差 （ t ）就可以求出速度V，进而得到瞬时流量。2.2 工作过程单片机发出测量命令后产生一定的波形，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脉冲，同时使计数器开始对高频方波进行计数，在接收端收到脉冲信号后，一部分返回发射端代替同步信号触发

4、发射电路再次发射超声波，另一部分进贴分频电路进行分频，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，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播时间，并通过并行口送到单片机上。单片机收到顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波器对时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，并送到数码管LED上显示出来。系统框图如下：3.单元电路的设计3.1 超声波换能器超声的发射和接收，需要一种电声之间的能量转换装置，这就是换能器。超生换能器，也即超声传感器，是超声流量计中的重要组成部分。通

5、常所说的超生换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件和装置。换能器处在发射状态时，将电能转化为机械能，再将机械能转化为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转化为机械能，再转化为电能。3.1.1 超声波发射电路超声波发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。本设计中采用的是由单片机发出的方波，单片机P3.7输出方波信

6、号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联。用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04AN输出高电平的驱动能力。另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果 ，缩短其自由振荡的时间，下图为超声波发射部分电路图。 图2 超声波发射电路3.1.2 超声波接收电路超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106A处理两部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由

7、于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过CX20106A处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断，下图为超声波接收部分电路图。 图3 超声波接收电路3.1.3 换能器的安装考虑流体的种类、浊度、温度和流向, 在计算中作为参数进行初始化。管道的衬里、内外径和直管段长度作为初始参数输入测量主机采用双CPU 并行工作, 串行数据接口, 可完成信号控制手动操作、循环控制和系统自检测。换能器的安装选择V型结构，如图4所示，V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是现在国际流行的两个换能器安装在同一侧的设计。所以我们的换能器将采用单通道V字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，单通道形式可以消除由双通道

8、换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中反射引起的对测量的干扰。 图4 换能器的安装3.2 方向切换电路通过555继电器切换传感器方向，进行顺逆流方向收发电路的切换，这样既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，是换能器发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响，下图为方向切换电路部分电路图。 图5 方向切换电路3.3 D/A电压调节3.3.1组成： 超声波信号处理包括放大电

9、路、滤波电路、二值化电路。放大器采用高频、可电压调整增益运算放大器AD603，如图6所示。滤波电路采用高Q 值滤波器，提高了信噪比，如图7所示。二值化电路采用高速比较器LM339，如图8所示。通过放大以后的超声波回波信号经过滤波，进入二值化电路，产生回波脉冲信号，送入单片机中，进行时间测量的控制。3.3.2 作用：(a) 调节高压，产生激励电压调节范围，用来形成发射电路所需发射功率。(b) 调节放大电路增益，实现信号的增益控制。(c) 调节二值化电路的参考端输入电压。使之与放大后的回波信号相比较。 图6 可编程增益放大器 图7 低通滤波器 图8 二值化电路3.4 对微小时间的测量为了达到较高的

10、分辨率和较短的采样时间的目的，通过单脉冲所需的时间来实现。该接口电路采用的是8052单片机实现对周期信号的测量。采用8052内部两个16位寄存器（定时器0和定时器1），定时器1为计内部机器周期，定时器0为计通过的脉冲数。通过图9电路可以保证单位计数脉冲的完整性。(1)通过P1.6，P1.7把RS触发器的输出脚置1，D触发器只有在CP的上升沿才变化，置Q为1 ；（2）这时内部定时器的INT1=1，定时器1开始计内部机器周期数，同时内部定时器0开始输入脉冲数（T0发生由1到0的跳变，计数器加1）；（3）当输入脉冲计数到后，通过P1.6，P1.7置1 ，使RS触发器输出为0，仅在CP上升沿才使D触发

11、器输出Q由1变为0，这时定时器1停止计内部机器数，定时器0也停止计外部脉冲数，这样不仅仅保证计数脉冲完整，而且也是计的单位完整脉冲期间的机器周期。 图9 微小时间的测量电路3.5 显示器采用LED显示超声波测流量系统的显示要求比较简单，测量结果采用十进制数字显示。只需能显示0-9的数字，且显示稳定无闪烁即可。因此显示部分采用七段半导体数码管即LED。根据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。在共阴极接法中，LED数码管的g-a七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发亮。而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法向反。LED数码管具有亮度大，响应速度快等优点。LED显示器有静态显示和动态显示两种。本设计中采用动态显示方式，以实时显示液位变化。在此选用的是共阴极接法。本设计采用单片机直接驱动LED的方法，通过软件的编译来实现由二进制到BCD码的转化，从而简化了显示电路。但是，在制作超声波测距系统的过程中，我发现由单片机直接驱动LED显示，电流较小，LED虽然有显示但是比较暗，因此我用了三极管来对电流进行放大，解决了这个问题，下图为显示部分电路。 图10 显示器电路3.6 整体原理电路图原理图如图10所示。 图11 工作原理图4.小结 通过本次课程设计，我了解了超声波的一些基础知识，时差法测流量的基