超声波流量计的设计与研究汇总

1、本科毕业论文题目超声波流量计的设计与研究学院工业制造学院专业测控技术与仪器学生姓名学号年级指导教师职称2013年5月30日超声波流量计的设计与研究专业：测控技术与仪器指导教师:学生:摘要：超声波流量计是一种非接触式的测量仪表，它以使用方便、高精度等特点在工业生产、医药、石油、水资源等领域有着广泛的应用，系统的测量精度是其最关键的参数。本设计主要完成以下一些主要工作：超声波时差法测流量原理研究，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；超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正；设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接

2、收电路、信号整形电路及系统控制电路等；设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理。关键词：超声波流量计；相关算法；单片机；多脉冲发射。TheDesignoftheUltrasonicFlowmeterandResearchProfessional:TheMeasurementandControlTechnologyandInstrumentNumber:Student:Instructor:Abstract:ultrasonicflowmeterisanon-invasiveinstrument,withitscharacteristicsofconvenientuse,highp

3、recisioninindustrialproduction,medicine,petroleum,waterresourcesandotherfieldshaveawiderangeofapplications,themeasurementaccuracyofthesystemisthemostcriticalparameter.Thisdesignmainlycompletesthefollowingwork:Researchontheprincipleofflowmeasurementofultrasonictimedifferencemethod,themeasurementpreci

4、sionofultrasonicflowmeteriseasilyinfluencedbytemperatureproblem,usingtheimprovedalgorithmtoavoidtheinfluenceoftemperatureonmeasurementprecision;Theultrasonicwavepropagationcharacteristicsinthefluidanalysis,ultrasonicflowmeterfluidmechanicsanalysisandflowratecorrection;Controlcircuitformeasuringthesy

5、stemdesign,includingtheultrasonictransmittingcircuit,receivingcircuit,signalshapingcircuitandsystemcontrolcircuit;Thedesignofthecorrespondingcomputersoftwareforcontroloftheinstrumentandtocomputedata.Keywords:ultrasonicflowmeter;correlationalgorithm;singlechipmicrocomputer;multiplepulse.成都学院学士论文（设计）目

6、录1绪论11.1 国内外研究情况现状11.2 超声波流量计与其他流量计的比较21.2.1 其他常见流量计的特点和用途21.2.2 超声波流量计的优点和用途61.3 本课题的研究内容72超声波流量计的分类和实现原理介绍82.1 分类和基本原理82.2 多普勒（效应）法82.3 时差法超声波流量计的基本原理92.3.1 传统时差法102.3.2 改进时差法的原理和优点103时差法超声波流量计的总体设计123.1 超声波换能器的结构及原理123.2 换能器白安装133.3 多脉冲测量方法144时差法超声波流量计的硬件设计174.1 系统硬件框图174.2 发射接收电路184.2.1 超声波发射电路1

7、84.2.2 超声波接收电路184.3 单片机设计204.3.1 单片机的选择204.3.2 单片机引脚功能224.4 电源电路254.5 LCD显示电路264.6 存储电路275系统软件设计285.1 系统主流程图285.2 发射接收部分流程图295.3 显示部分流程图305.4 INTO中断部分流程图315.5 计算部分流程图326系统误差分析336.1 误差基本理论336.1.1 绝对误差336.1.2 相对误差346.2 误差产生因素346.2.1 声束进入流体介质的折射角346.2.2 管径356.2.3 流体的流速及纯净度356.2.4 传播延时356.2.5 系统硬件的性能35附

8、录36程序37结论43参考文献44致谢45I成都学院学士论文（设计）1绪论1.1 国内外研究情况现状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。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。1931年，O.Rutten发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献。但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒,这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环

9、将时差扩大在进行测量，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。1955年，应用声循环法MAXSO流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广。60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术的出现和应用，为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也

10、优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。我国超声波流量计的研究起步较晚，尽管近年来随着国外各大超声波流量计生产公司的产品纷纷进入我国的市场，也带动了国内超声流量测量研究的发展，但是从总体上说，我们现有的技术还和国际先进水平有较大差距，在国内市场中，高精度的超声波流量计还是国外品牌的天下，形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面。1成都学院学士论文(设计)1.2 超声波流量计与其他流量计的比较1.2.1 其他常见流量计的特点和用途流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多，至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。按测量

11、原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。l、差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，己知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。差压式流量计的检测件按其作用原理可分为：节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。优点：(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；(2)应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；(3)检测件

12、与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。缺点：(1)测量精度普遍偏低；(2)范围度窄，一般仅3:14:1;(3)现场安装条件要求高；(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。应用概况：差压式流量计应用范围特别广泛，在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用，如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几毫米到几米；流动条件方面：亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的l/4l/3。2、浮子流量计浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由

13、液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。80年代中期，日本、西欧、美国的销售份额占流量仪表的15%20%。我国产量1993估计在1214万台，其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。特点：(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便，缺点是耐压力低，有玻璃管易碎的较大风险；(2)适用于小管径和低流速；(3)压力损失较低。3、容积式流量计容积式流量计，又称定排量流量计，简称PDK量计，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复

14、地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。优点：(1)计量精度高；(2)安装管道条件对计量精度没有影响；(3)可用于高粘度液体的测量；(4)范围宽：'(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计总量，清晰明了。操作简便。缺点：(1)结果复杂，体积庞大：(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；(3)不适用于高、低温场合；(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体：(5)产生噪声及振动。应用概况：容积式流量计与差压

15、式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计，常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。工业发达国家近年PDK量计(不包括家用煤气表和家用水表)的销售金额占流量仪表的13%23%;我国约占20%,1990年产量(不包括家用煤气表)估计为34万台，其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和2005。4、涡轮流量计涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品，作为十大类型流量计之一，其产品已发展

16、为多品种、多系列批量生产的规模。优点：(1)高精度，在所有流量计中，涡轮流量计属于最精确的流量计；(2)重复性好；(3)元零点漂移，抗干扰能力好；(4)范围度宽；(5)结构紧凑。缺点：(1)不能长期保持校准特性；(2)流体特性性对流量特性有较大影响。应用概况：涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国，涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了260够台各种尺寸，压力从0.86.5MPa勺气体涡轮流量计，它们已成为优良的天然气计量仪表。5、电磁流量计电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测

17、量导电性液体的仪表。电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。70、80年代电磁流量计在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量百分比不断上升。优点：(1)测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液周二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；(2)不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；(3)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；(4)流量范围大，口径范围宽；(5)可应用腐蚀性流体。缺点：(1)不能测量电导率很低的液体，如石油制品；(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；(

18、3)不能用于较高温度。应用概况：电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液。化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。6、涡街流量计涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两用规则地交错排列的游涡的仪表。涡街流量计按频率检出方式可分为：应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。涡街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。优点：(1)结构简

19、单牢固；(2)适用流体种类多；(3)精度较高：(4)范围度宽；(5)压损小。缺点：(1)不适用于低雷诺数测量;(2)需较长直管段；(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比)；(4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。7、科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计(以下简称CMF是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。我国CM的应用起步较晚,近年已有几家制造厂(如太行仪表厂)自行开发供应市场，还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。8、明渠流量计与前述几种不同，它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。非满管态流动的水路称作明

20、渠，测量明渠中水流流量的称作明渠流量计明渠流量计除圆形外，还有U?形、梯形、矩形等多种形状。明渠流量计应用场所有城市供水引水渠：火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠。1.2.2 超声波流量计的优点和用途1、超声波流量计的优点和传统的流量计，如差压流量计、转子流量计、文丘里流量计等相比，超声波流量计最显著的特点就是不直接接触流体本身，因此具有有以下突出的优点：(1)结构简单，安装、使用和维护方便。超声波流量计可以夹装在管道外侧安装，无需对管道进行改动，这给临时检查管内的流量提供了方便，使用范围很广，也很便捷,(2)一股流量计随着测量管径的增大会带来制

21、造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不便这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表。(3)超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型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。(4)待测液体只要可以传播超声波就可以对其实行管#FfJ量，这种非接的测量方法无压力损失，不破坏流场，测量更为客观真实。(5)可以直

22、接给出被测液体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟量或者数字量输出。(6)鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台超声波流量计仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力是其它仪表不可比拟的。(7)电磁流量计也是非接触无阻碍测量的测量计，但是要对非导电性的液体就无能为力。超声波流量计可以测量非导电性液体，对无阻碍测量的电磁流量计是一种有力补充。2、超声波流量计的应用概况：(1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、怪液、液化天然气等；(2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；(3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体。例如：未处理污水、

23、工厂排放液、脏流程液；通常不适用于非常清洁的液体。正是由于超声波流量计有着这么多突出的优势，在工业生产，医疗检测，海洋观测，石油勘探等社会生产生活诸多领域有着广泛的应用。因此对如何改进超声波流量计的性能，提高其测量的精度和准确度，扩大适用范围，达到与使用者良好的信息交换，实现数据的分析、显示和存储，扩展相关的辅助功能，增强系统的稳定性和仪器的便携性降低成本等许多方面，有着重要的研究意义。1.3 本课题的研究内容1、完成超声波流量计的整体方案设计，包括采用的测量原理、测量算法、硬件方案、软件方案。2、硬件方面完成硬件整体方案的设计、器件的选型，接口设计。3、软件方面完成流量测量的数字信号处理的程

24、序设计以及数字逻辑时序的设计7成都学院学士论文（设计）2超声波流量计的分类和实现原理介绍2.1 分类和基本原理按测量原理分类有：传播时间法；多普勒效应法；波束偏移法；相关法；噪声法。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接速度差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照探头的配置方法不同，传播速度差法又分为：Z去（透过法）、Vt（反射法）、X法（交叉法

25、）等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大。多酱勒法是利用声学多普勒原理。通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关。因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法（听音法）是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。在

26、这里介绍一下用得最多的传播时间法和多普勒效应法的基本原理。根据分析传播时间法和多普勒法的原理，本设计采用传播时间法。2.2 多普勒（效应）法多普勒（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。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攵到频率为fB的超声波，其值为式中v一散射体运动速度。fB = fAc v cosc - v cos 二(2-1)9多普勒频移.力正比于散射体流动速度fd = fB - fA = fA2vs

27、in1(2-2)测量对象确定后，式（2-10）右边除v外均为常量，移行后得(2-3)cfdv二：2cosfA2.3 时差法超声波流量计的基本原理时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、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动速度有关系，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时差法测量原理是属于传播时间法的一种，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。成都学院学士论文(设计)2.3.1 传统时差法13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8,td为超声波在管壁和探头的传播时间

28、以及电路延迟时间的总和，当超声波顺流传播时，其速度为c+vsin0,从而有顺流时的传播时间:ti2d cosi , +td C vsin?当超声波逆流传播时，其速度为c-vsin 0 ,从而有顺流时的传播时间t22d cos 二C -vsin?+td(2-4)(2-5)顺流与逆流的时间差为所以t =3 t24dvtg 177222-C -v sin 1(2-6)C2v =.：t4dtgi(2-7)流速v的计算与声速Cffi时间差At有关，时间差的检查主要是通过单片机的内部计时器完成，而声速CS温度影响大，在不同的温度下C¥同，故影响了测量的准确度。2.3.2 改进时差法的原理和优点图

29、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:Cvsinn=2dcos?ti逆流时超声波在流体中的传播速度为:C-vsin二2dcost2两式相减,t1t22dxsin2iQ=vd此式中不含有声速C,只要测出逆流传播时间ti和t2即可,温度的影响，从而提高了系统的测量精度(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)改进时差法避免了系统受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声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能

30、；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。目前使用较多的是压电型超声波发生器。压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。其结构原理如图3-1所示：图3-1超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为（110）m，但这种振动的加速度很大，约（10103）g,这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，

31、就形成超声波。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。超声换能器有许多不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头等。根据压电晶片的大小，如直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要性能指标包括：(1)工作频率f0:大多工作频率选在换能器的机械共振频率(即压电晶片的共振频率)附近。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共

32、振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。(2)机电耦合系数Kt:超声波换能器的机械能和电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。最早给出定义的梅森将机电耦合系数定义为贮存的机械能量,、Kt(3-1从电源取得的总能量''但是，定义机电耦合系数的公式很多而且各部协调。止匕外，压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关。因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。(3)换能器的机械品质因数Qm：Qm是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，它与标称宽带Af=也密切相关，即与换能器的机电耦合系数密切相关，而

33、且与2-所在介质的辐射阻抗、换能器结构、材料及损耗密切相关。例如，同一只压电换能器，在水中的Qm上30,在空气中Qm定2000(4)换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面换能器与发射电路(或接收电路)末级电阻应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载(或接收声负载)匹配。(5)换能器的频率特性：所谓频率特性就是换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗和灵敏度等随频率变化的特性。在接收换能器中宽频带可获得窄脉冲、短余振时间波形，获得极高的纵向分辨率。在一般工业领域，通常接收和发射的传感器使用完全相同的材料，做成完全一样的结构，可以互换使用或进行双向收发

34、15,这样不仅可以降低成本，而且在一定程度上减小了测量误差。3.2 换能器的安装对于时差法超声波流量计来说，超声换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式：平行式、Z型、V型。如图3-2所示：（a）平形式(c) V 型图3-2换能器的不同安装位置平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的；Z型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用；而V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是

35、现在国际上流行的两种换能器安装在同一侧的设计。所以，在本设计中，我们的换能器将采用单通道（即只采用一对探头）V字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，而且单通道形式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，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不均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。3.3 多脉冲测量方法一般所需测量的流体流速常常是每秒几米，对比而言，声波在液体中的传播速度（约为1500Ms左右）很大，因此，该设计中使用了多脉冲测量的方法。不但降低了测量的难度，更易获得精确的数

36、据，还可以在测量时结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差法做出合理估计，从而确保流量测量的精度。多脉冲电路图如图3-3所示成都学院学士论文(设计)b a图3-3多脉冲测量示意图多脉冲测量就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法。顺流时：如图3-3-a图所示，Ti发射超声波，超声波在流体中顺流传播，经时间t1后被T2接收，并将其转化为电信号，再进行其他操作（放大、整形等）。而后，其中一部分代替触发信号触发T1再次发射超声波。如此循环N次。N次循环所用时间：（E（i）为第i次的0,0是延迟时间）(3-2)Nt3=Av(i)Nt1i1逆流时:如图3-

37、3-b图所示，Ti发射超声波，超声波在流体中逆流传播，经时间t2后被T2接收，而后与顺流时相似。N次循环所用时间：（L为第i次的飞）(3-3)Nt4小Nt2i1时间差：当两图中的发射电路、放大电路等用完全相同的电路，并且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要N足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时（%是延迟时间)总和是相等的，即：NN“(i)C(i)(3-4)i1i1于是：:t=t2-11=-(3-5)N这样，时间差At不再用去测量难以准确计量的微小时间ti和t2,而是改测相对较大的时间t3和t4。用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后，现有的电子线路就容易测量t3、t4,时间

38、差&的准确测量就变的容易了。#成都学院学士论文（设计）4时差法超声波流量计的硬件设计4.1系统硬件框图根据时差法测量的基本原理和时差信号小的特点，本课题研究的时差法超声波流量计主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。两部分均是以89C51为核心，根据键盘发来的命令，进行相应的操作，主要完成超声波的发射和接收以及传播时间的测量，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一单片机89C51为核心,主要负责对整个系统的控制、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

39、图4-1所示：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，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的时间，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，采用数字滤波技术对这些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LCD!显示出

40、来。4.2发射接收电路4.2.1 超严波发射电路在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式，单片机所产生的40kHz的方波脉冲需要进行放大才能用超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用一个三极管进行信号放大，和一个变压器对信号放大，然后通过超声波换能器将电信号转化为机械波发射出去，超声波发射电路如图4-2所示。TRAN-2P3

41、s图4-2超声波发射电路4.2.2 超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大，为了实现高精度的测量，在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对所设计的超声波接收电路由二级放大电路和滤波电路组成。本设计超声波接收电路如图4-3所示，超声波接收电路由OPAMP成的两级运放放大电路，和由OPAM构成的二阶带通滤波电路组成，超声波探头接收到超声波信号时，信号非常弱，为毫伏级，通过两级放大电路，第一级放大100倍，第二级放大50倍，共放

42、大5000倍左右，信号滤波之后，超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求图4-3超声波接收电路图4-4超声波接收电路一级放大电路超声波接收电路二级放大电路如图4-5所示19成都学院学士论文(设计)图4-5超声波接收电路二级放大电路超声波接收电路滤波电路如图4-6所示图4-6超声波接收电路滤波电路4.3单片机设计4.3.1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

43、下来讲，在选择单片机时要需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。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90MHz),功耗低，在系统、在应用可编程，不占用用

44、户的资源。根据本系统设计的实际要求，选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATME公司生产的高性能、低功耗的CMOS位单片机。89S51单片机具有以下几个性能特点：4k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。单片机的引脚功能图如图4-7所示。U119S.XTAI1P00/AD039P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3_38371836P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD635F339

45、RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10322122292324PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0/T2P3.0/RXDP1.1/T2EXP3.1/TXD30253126271_28102_113P1.2P3.2/INT012413P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WR-P1.7P3.7/RD514615716817AT89C52图4-752单片机的引脚功能图21成都学院学士论文（设计）4.3.2单片机引脚功能（1）电源引脚Vcc（40脚）：正

46、电源的引脚，工作电压是5V。GND（20脚）:接地端。（2）时钟电路的弓唧XTAL1和XTAL2为了产生时钟信号，在89S51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL洲则是片内振荡器反相放大器的输出端。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接白是12MHz的石英品振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号60时钟信号电路如图4-8所示。C1nII-r- 1nF X1 O C2 cryStalU11918XTAL1XTAL21nF一一图4-8时钟信号电路（3）复位RST（9脚）当振荡器运行

47、时，只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位。复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零6。本课题设计的单片机复位电路如图4-9所示。VCC图4-9单片机复位电路图（4）输入输出口（I/O口）引脚P0口是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双

48、向口；另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800uAoP1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平。例如：指令CLR是清零白意思，CLRP1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思，SETBP1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平6031P3弓1脚表4

49、-1P3口第二功能表兼用功能P3.0串行通讯输入口（RXDP3.1串行通讯输出口（ TXDP3.2外部中断0请求输入端（INTO ）P3.3外部中断1请求输入端（INT1）P3.4定时器0输入端（T0）P3.5定时器1输入端（T1）P3.6外部数据存储器写选通信号输出端（/WRP3.7外部数据存储器写选通信号输出端（/RD）P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2

50、口就送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变。P3口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。P3口作为通用I/O口接口时，第二功能输出线为高电平。P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部Flash程序存储器编程时，此端接控制信息。P3口的第二功能，如表4-1所示。（5）其它控制或复用引脚（a）ALE/PROG30脚）：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在

51、不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6），而在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一个，此时是不可以做为时钟输出。对片内含有EPROM勺机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲/PROG勺输入端6。（b）/PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。当89C51从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。但在访问片外数据存储器时，/PSEN将不会有脉冲输出。（c）/EA/Vpp（31脚）：/EA为片外程序存储器访选用端。当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低

52、电平，要使89S51只访问片外程序存储器，这时该引脚必须保持低电平；而在对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。4.4 电源电路J1本设计采用USBft电，由于从USB勺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4-10所示VCCVCCP4GNDUSBCONN图4-10USB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4-11所示VCCT1C13C14C15包61uF1uF C17 1 uFC18iufC41uF -I_ 1uF1uF图4-11电源滤波电路4.5 LCD显示电路LCD显示器选用LM016L它的引脚功能如表4-2所示表4-2LM01

53、6L引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。6EE（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。7DB0底4位三态、双向数据总线0位（最低位）8DB1底4位三态、双向数据总线1位9DB2底4位三态、双向数据总线2位10DB3底4位三态、双向数据总线3位11DB4高4位三

54、态、双向数据总线4位12DB5高4位三态、双向数据总线5位13DB6高4位三态、双向数据总线6位14DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflang）LCD显示电路和单片机的连接如图4-12所示，其中RV1是滑动电阻器，可以控制显示器屏幕的亮度，RP1是排阻，可以限制电压或电流，保护电路。LM016LLCD1VCC今7D B 8 3 B i BE 下 SR. E5 DDV SQVRV1VCC1kP2.咨2.2RP119RESPACK-82345678P2.1P2.2图4-12LCD的显示电路4.6 存储电路超声波流量计作为仪表，必须需要及时的对测量结果流量或者流速的数据进行存储,还要存储流量计的各种参数，包括换能器的频率、管径、声路角、修正系数、计算公式等，所以存储器选用24C02C它的引脚如图4-13所示口 Vcc二 WP SCL-SDA图4