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 723004）指导老师：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简洁受温度影响的问题，利用改进型算法避开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：超声波放射电路，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，胜利实现了瞬时流量的测量和协助功能的实现，总的来说，本次设计的

2、超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装便利、测试操作简洁等特点。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 SystemFan Weijia (Grade 04,Class 1,Major electronics and information engineering，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi Uni

3、versity of Technology，Hanzhong 723000，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 pro

4、duction, 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 t

5、he 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 ac

6、cessibility 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 o

7、ther 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;47 / 47书目1引言41.1 选题的目的及探讨意义41.2 国内外探讨现状51.3 论文探讨的主要内容62 设计方案及工作原理72.1方案一8多普勒超声波流量计82.2方案二82.1.2 传统时差法92.1.3 改进时差法的原理和优点102.

8、3方案确定103 时差法超声波流量计的总体设计113.1 超声波换能器的结构及原理113.2 超声波换能器安装方式简介113.3时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素124 时差法超声波流量计的硬件电路设计154.1整体硬件系统设计框图154.2超声波放射电路设计154.3超声波接收电路设计164.4超声波顺逆流放射和接收限制电路设计184.5计数电路的设计184.6 LCD12864显示电路设计194.7 参数输入电路设计204.8 主从单片机之间的电路设计214.8.1 单片机的选择214.9 电源电路224.10 存储电路235 系统软件设计255.1主单片机软件设计255.2从

9、单片机程序设计255.3主从单片机之间总体设计265.4 INT0中断服务子程序设计275.5 键盘子程序27键盘扫描主程序流程图27按键预处理子程序流程图：285.5.3 键值处理子程序流程图295.6超声波换能器收放射电路限制子程序设计306 系统误差分析326.1 数据结果326.2 误差产生因素326.2.1 管径326.2.2 声束进入流体介质的折射角326.2.3 传播延时336.2.4 流体的纯净度336.2.5 系统硬件的性能337 系统软件的仿真和调试34致谢35参考文献36附件一：电路图37附件二：主单片机程序381引言1.1 选题的目的及探讨意义 由于目前国内还有大部分的

10、液体流量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特别明显及普遍的缺点：受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响特别大，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特别困难，关键是造价的提高、运用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们和顾客急于找寻一种新的流量测量方法来削减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，并且针对超声波流量计测

11、量精度简洁受温度影响的问题，利用改进型算法避开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视察的介质的测量。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难，造价高、耗能大、

12、不好安装，这些缺点，超声波流量计都可以完全避开。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，仪表的造价和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精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测量和各种范围的测量。而且超声波流量

13、计的适应实力也很强。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状况下的流量测量。因此，设计一种结构简洁、价格低廉的超声波流量计是特别必要的。1.2 国内外探讨现状1955年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它运用的技术就是“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，超声波流量计的牢靠性能有了基本保证。20世纪90年头后，新材料工艺的不

14、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。自然气工业的发展，更是促进了超声波流量计的运用和推广。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，这些国家的阅历、电子技术、工业生产都处于优势。闻名的有美国的Controlotron 、 Ploysonics，德国的Krohne，荷兰的Instrormet及日本的横河。我国在60-70年头，机械工业部上海工业自动化仪表探讨所、北大探讨所相继起先探讨。90年头初估计为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

15、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记。我们国家的超声波流量计的探讨技术水平相对于来说还比较落后，但在经济水平不断提高，综合国力不断的增加下，对于超声波流量计的探讨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，我们将超声波流量运用在重油，自然气，水等珍贵资源的测控上。近几年来，由于数字信号处理技术和微处理器技术的快速发展以及新型换能器材料和工艺制作的探讨，还有声道配置及流体动力学的探讨，超声波流量计的探讨技术取得了很大的成果，所以它的发展前景是很广袤的

16、。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，须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特别可观，在供水系统、工业生产、电力、自然气等众多领域都须要用到超声波流量计。超声波流量计在将来的发展过程中，技术将会不断地提升，精确度业依旧会不断精确。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都是流量计测量的志向选择，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，。和传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的原件，因此，它

17、几乎不须要修理，它能够精确的测量到液态石油气产品的宽频，而不须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，及其微小微小的漏洞也会发觉和不放过。中国是发展中国家，是科技和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，尤其是石油自然气，将在将来石油管道运输的过程中，特别须要这种超声波流量计测量，以防止泄露和裂开，同时也可以促进节约能源，进行可持续发展。1.3 论文探讨的主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，主要探讨内容如下：1.超声波传感器的技术指标及运用方法（拟选择运用最广泛的压电型超声波传感器，选取两个收/发

18、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简洁受温度影响的问题，采纳改进型算法将温度影响在理论上消退；4.单片机芯片的选择，要求低功耗、低价格、芯片的功能能满意本设计的全部要求；5.自检报警模块：拟采纳蜂鸣器进行报警，对流量低于或高于规定阈值进行报警；6.数据处理模块：要求满意不低于B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许多种类，其中应用最广泛的是多谱勒超声波

19、流量计，另一种是时差法超声波流量计。2.1方案一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匀称流体，比如：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,运用管径达到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，目前国也有比许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

20、)点检测从移动源放射声波而产生多普勒频移现象。水流TSATSBD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，经照耀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）式中v一散射体运动速度。多普勒频移fd： （2-2）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）2.2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，依据传播时间的差值来测量流体的速度从而计算出流体的

21、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匀称流体，比如：水、海水、污水、酸碱、汽油、柴油等等。管材的适应实力也比较强，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。 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，放射角度为，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）在超声波逆流传播时，其速度为c-vsin，所以顺流时

22、的传播时间：+td (2-5)顺流和逆流的时间差为： (2-6)所以： (2-7)流体速度v的计算和超声波在静止流体中的流速C以刚好间差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）逆流时超声波在流体中的传播速度为： （2-9）两式相减， （2-10） (2-11 ) 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，改进时差法避开了系统受温度的影响，从而提高了系统的测量精度。2.

23、3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简洁受温度影响的问题，利用改进型算法避开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、安装便利、测试操作简洁等特点。3 时差法超声波流量计的总体设计3.1 超声波换能器的结构及原理在本次设计中我们须要用到超声波换能器，那么什么是换能器呢？它是一种电和声之间的转换装置用来限制声波的放射和接收。是超声波流量计中不行或缺的一个部分。它的原理是在放射时将电能

24、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子振动，并推动四周介质振动。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现在大多数超声波流量计的安装方式均采纳夹装式，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

25、，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，它有许多特点，比如运用简洁、测量精确，可以测量的管径范围为20mm-3000mm左右。安装时特殊要留意将两个超声波探头水平方向对齐，要求它的中心线和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殊厚时，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干脆传输的，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，

26、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精确度。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，我们的换能器将采纳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辨别率，其次可以消退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，然后还可以削减流速断面分布不匀称的误差，而且此种方法也可以削减超声波在声道中多次反射而对

27、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，而传播时间的差异和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。本课题的探讨对象是时差法超声波流量计，下面将详细介绍其测量原理。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，通过确定的方式可以变更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

28、出流体的流速，并且最终计算出流量值。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、逆流时的传播时间差t来获得流体的流量，详细原理如下:设超声波顺流时的传播时间为: （3-2）超声波逆流时的传播时间为： （3-3）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，为超声波放射角度。式(3-2)和式(3-3)相减得：超声波顺逆流的传播时间差t为: （3-4）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c>>v。因此可得: （3-5）则(3-4)式可以简化为: （3-6）将(3-4)中的v移到等式的左边可以得

29、到其计算公式: （3-7）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只和参数D、超声波放射角度、时间差t有关，而D和视为系统参数，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: 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值。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依据时差法流量测量的原理和时差信号比较小的特点，本次设计探讨的时差法超声波流量计主要由两个部分组成

30、：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，依据键盘的输入所发出的吩咐，进行对应的操作，主要完成超声波的放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放射电路、接收放大电路、顺逆流切换电路、电压比较电路、计数限制电路等组成；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限制、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：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确定的方波脉冲，先对计数器清零，接着同步启动放射电路触发超声波换能器放射超声波，同时使计数电路起先对高频方波进行计

31、数，在接收端接收到脉冲信号后返回放射端触发放射电路再次放射超声波，如此反复形成顺流放射的多脉冲循环。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，将会采纳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，最终送到LCD显示屏上显示出来。4.2超声波放射电路设计单片机系统发动身射启动信号，以限制超声波换能器放射超声波信号。本部分电路采纳单脉冲放射电路，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

32、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。详细电路图如下：图4-2 超声波放射电路4.3超声波接收电路设计超声波换能器放射出超声波信号后，会经过管壁和待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削减，所以须要对接收到的超声波信号进行滤波和放大处理。设计中，采纳二级放大和带通滤波。第一级放大电路采纳低噪声高速放大器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

33、。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，进行其次次放大。带通滤波电路设计如下图：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，采纳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超声波顺逆流放射和接收限制电路设计电路图如下：图4-6 超声波顺逆流放射和接收限制电路超声波换能器放射接收的方向由三个双刀双置的继电器开关K1/K2/K3限制，继电器K1为总开关，假如K1导通，通过K2和K3的导通和关闭状况来限制换能器T1和T2哪个为放射，哪个为接

34、收。三个继电器的状态分别由单片机的三个位口线来限制。4.5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限制固体继电器的通断,进而限制超声波顺流放射或逆流放射,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。由于超声波放射和接收的次数N可以通过编程来限制，N值不会太大，故计数电路选用4片74S196芯片串接就可满意须要。计数部分的电路图如下所示：超声波接收电路超声波放射电路从单片机图4-7 计数电路4.6

35、LCD12864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；和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：图4-8 LCD12864显示电路4.7 参数输入电路设计键盘是人机对话的重要组成部分，本设计中运用了10个数字键和6个功能键：选择修改管道直径、选择修改夹角、增一键、减一键、确认起先键和修改键。键位设计图和矩阵式键盘的电路图分别如下：图4-9 键位设计图图4-10 矩阵式键

36、盘电路设计图4.8 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限制的核心，所以对单片机的选择更是异样重要。假如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，牢靠性也比较高，对整个系统来说更便利。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。在一般的状况下来讲，在选择单片机时要须要考虑的几个方面有：（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）单片机的某些增加的功能。（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

37、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，卖家供应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。本设计采纳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用来供应数据的同步脉冲，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

38、作方式导致速度比较慢，但是在数据传输不太多的状况下，串行通信是特别便利的，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起先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标记位和RI标记同时为零后的下一个机器周期，串

39、行口将1010 1010写入接收缓冲寄存器，打算接收数据。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，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： 图4-11 主从单片机串行通信示意图4.9 电源电路本设计采纳USB供电，由于从USB的4号引脚出来的是5V的直流电，故可以干脆作为单片机供电电路用，如图4-12所示图4-12 USB供电电源在运用的过程中，需对电源进行滤波，电源滤波电路如图4-13所示C110uF

40、C20.1uFVCC图4-13 电源滤波电路4.10 存储电路本次设计的数据结果特别重要，所以必需须要刚好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：SCK6SDA5WP7A01A12A23U224C02CR38.5kR48.5kP2.5P2.6VCC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；从单片机部分主要完成超声波收发电路的限制，传播时间的测量，数据的检验和传输等。5.1主单片机软

41、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吩咐；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，在这一状态中程序始终不停的扫描键盘，依据键盘输入的吩咐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：开 始图5-1 主程序设计流程图5.2从单片机程序设计从单片机程序设计部分主要完成超声波接收和放射电路的限制、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

42、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，然后和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吩咐后，从单片机就会进行传播时间的测量，并且检查传播时间的牢靠性，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。主从单片机之间采纳中断通讯方式，在从单片机接到停止测量吩咐后立即结束测量过程，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计图5-3 主从单片机数据发送子程序流程图5.4 INT0中断服务子程序设计INTO中断服务子程序图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包

43、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推断，并读取相应按键的键号，依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纳了行列式键盘，其行列扫描程序流程图如下图所示：键盘扫描程序 图5-5 键盘扫描子程序流程图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，因此扫描过键盘后须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：按键预处理子程序图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

44、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：确认起先键；F：修改键。键值处理子程序流程图如下图所示：按键处理图5-7 键值处理子程序流程图5.6超声波换能器收放射电路限制子程序设计本设计中，两个完全相同的超声波换能器须要通过单片机进行放射接收的切换，以实现顺逆流传播的时差测量。其限制流程图如下所示：换能器收发切换限制图5-8 超声波换能器收发限制电路限制流程图6 系统误差分析超声波流量计并非干脆接触式的仪表，它是间接式测量的仪表，它对流体流量的测量是将被测流体的各项数据作为已知条件，比如：声速、粘度、管道的内径、管道的壁厚，以及管壁材质的声速等，通过测量超声波

45、在流体中顺、逆流的传播时间来计算出流速和流量的。所以，超声波流量计的各项实际测量误差包括了许多方面，比如其本身的误差以及被测流体，被测管道等。而我们此次设计的超声波流量计须要实现B级测量精度，所以我们必需对各项误差做全面的分析和探讨，然后正确的分析和计算之后最大可能的削减并避开各项可能产生的误差。6.1 数据结果通过查阅各种文献资料得知，我们在实际测量时测量的是传输线上线平均流速，所以为了获得真实的流量就得通过确定的计算得到面平均流速。当超声波在层流面传播时，也就是流量范围小时，通过流量积分获得：面平均流速： （1）线平均流速： （2） （3）从（3）可知，超声波在层流面传播时，线平均流速乘以

46、3/4才是面平均流速（Vmax才是管道中心的流速）。工作在紊流状态时测得的Vs和Vd的如下表1：通过计算：n=7时，Vs=0.933Vd。 n=10时，Vs=0.952Vd。通过上面数据的测量，计算以及比对得知，本设计有许多误差须要分析。6.2 误差产生因素6.2.1 管径通过上面的流体流速计算公式我们可以看出，声速v和被测管道直径d成正比，而且，被测流体的流量和管道管径的三次方成正比，因此，对管径d进行测量产生的 1的误差会使对流速的计算产生 1的误差，并使被测流体流量的计算产生 3的误差。因此在实际测量时，必需对被测管径用精确度极高的测量工具进行测量，来减小或者避开因为管径测量误差对流量产

47、生的误差。6.2.2 声束进入流体介质的折射角声束进入流体介质的折射角其实就是我们在进行探头的安装时的安装角度，由时差法超声波原理知，当折射角 产生偏差时测量结果也会产生相应误差，所以我们在进行探头的实际安装时必需进行精准的安装，选择合适的角度进行安装来削减或者避开这种误差的产生。6.2.3 传播延时声波在被测流体中的顺、逆流传播时间的测量是影响整个系统测量结果的一个特别重要的因素。 但是，在对声波的传播时间进行测量时，由于存在各种延迟包括电路延时、换能器转换延时以及超声波管壁中传播的延时等传播延时，使得我们的测量精度大打折扣。对此我们只能通过计算来尽量削减这种误差。6.2.4 流体的纯净度流

48、体的纯净度会对超声波的传播有确定的影响，在平常的测量中，被测流体不行能是确定纯净的，里面都会存在一些杂质比如气泡和固体颗粒，超声波在传播过程中确定会受到这些杂质的影响，比如受到它们的反射，从而产生变更，所以我们在被测流体的选择中应尽量选择纯净度相对较高的流体。 系统硬件的性能在硬件中，由于电路的焊接，电器元件的老化，各个元器件组装时的误差，以及单片机性能，以及超声波探头内部晶体松动等等误差，会使得测量结果产生误差，所以我们在器件的选择，以及电路的焊接等过程中须要特别的细心，来削减并避开此类误差对系统测量精度的影响。7 系统软件的仿真和调试单片机开发过程中都要有编程器，硬件开发器，开发软件，指令

49、系统，芯片运用说明书等。随着科学的进步，开发手段多种多样。 C51程序的编写和编译链接等过程可以在开发工具“Keil C51”的环境下进行。工作原理就是利用模拟开发软件在计算机上实现对单片机的硬件模拟，指令模拟，运行状态模拟，从而完成应用软件开发全过程。 另外一个优点就是可以不须要硬件就进行全软件仿真，一切调试好后将程序烧入芯片，再将芯片插入硬件系统，就可运用了。调试过程如下： 首先建立一个项目，选择要保存项目的路径，并输入项目文件名，保存;选择单片机类型（本设计选择Ateml89C52）,选定CPU型号后，单击“确定”；接下来创建程序文件，在弹出的编辑窗口中输入C51源程序；输入完成后，选择

50、路径保存“.C”文件；将创建的程序文件添加到项目中去；程序文件添加完毕后，将鼠标指向“Target 1”并单击右键，再单击“Options for TargetTarget 1”选择“Target ”标签进行相关设置；最终单击“Buile Target”选项，起先对项目中的程序文件进行编译连接，没有错误之后，系统就会生成和项目文件同名的可执行代码及用于EPROM编程的Hex文件。将生成的HEX文件下载到单片机系统中，就可以运行相应的程序。致谢感谢我的导师秦伟老师，班主任张志伟老师，他们严谨细致，一丝不苟的作风始终是我工作，学习的榜样，他们谆谆教育的教育和不拘一格的思路赐予我无尽的启迪。重点感谢

51、我的导师秦伟老师，这篇论文的每个细微环节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开朗的特性和宽容的看法，帮助我能够很快的融入到我们这个设计课题中。感谢我的室友们，从遥远的家来到这个生疏的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上高校前所担忧的任何不快乐的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦的那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，哺育之恩，无以回报，你们恒久健康欢乐是我最大的心愿。 在设计即将完成之际，我的心情无法安静

52、，从起先进入课题到设计的顺当完成，有多少可敬的师长、同学、挚友给了我无言的帮助，在这里请接受我真诚的谢意！参考文献1 周会映.相关超声波流量计中相关器的硬件实现D.电子科技高校,2008.2 赵景波，王臣业.Protel99SE电路设计基础和工程范例M. 北京：清华高校出版社，2008.3 吴卫玲，宋喜报.基于超声波原理的流量计的设计及软件实现J.好用测试技术，2009. .4 楼然苗，单片机课程设计指导. 北京航空航天高校出版社M，2007年.5 刘海成，曲贵波.单片机及应用原理教程M.北京：中国电力出版社，2012.7.6 李晓娜.基于超声波的流量测量技术的探讨D.内蒙古，内蒙古科技高校，2010.5. 7 马彪.超声波流量计的特点及误差分析J.8 穆军.超声波流量计的应用优势及应用关注探讨J.9 王莉，曹译恒，任胜杰，牛群峰.基于Cortx-M3的低功耗多声道超声液体流量计设计J.2014-11-06.11 胡长江.基于FPGA的超声波液体流量计的设计D.哈尔滨理