时差法超声波流量计设计毕业设计论文

兰州理工大学电信学院毕业设计说明书兰州理工大学电信学院毕业设计说明书第一章绪论1.1流量计的发展概述自古以来测量都是人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利，化工，农业，石油，冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠饮水中采用孔板测量流量。1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为依据，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究成果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的使用装置；1911~1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展。第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。我国开展近代流量测量的技术比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，五十年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面。与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平。1.2超声波流量计的概述1.2.1超声波流量计的发展和现状超声波流量计（简称USF）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MAXSON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（PLL）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。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。当今全世界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,这些国家己经在超声波流量计的研制、生产和推广方面积累了丰富的经验，再加上它们本身所具有的在电子技术和工业制造领域的优势，使得它们在国际超声波流量计市场上占据了绝大部分的份额，并且主导着超声流量测量技术发展的方向和趋势。我国超声波流量计的研究起步较晚，目前我国超声波流量计的研究和生产仍比较落后的，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。1.2.2超声波流量计的特点超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，相对于传统流量计而言，它主要具有一下特点：可作非接触测量。夹装式超声波流量计无需停流截管安装，只要在管道外部安装换能器即可，为无流动阻挠测量，无额外压力损失，这是超声波流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点。适用于大型圆形管道和矩形管道，原理上不受管径限制，通用性好，同一仪表可以测量不同管径的管道流量，使用时不必严格考虑管材和壁厚，且其造价基本上与管径无关，更适合于大管径、大流量的场合。对介质几乎无要求。只要能传播声波的流体皆可用超声波流量计测量流量，因而适用于多种流体，除了水、石油等常见流体外，尤其适用于其他方法不便测量的情况，例如高温高压、腐蚀性液体、高粘度液体或气体等；而它可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。1.3本课题内容超声波流量计是一种很有发展前途和应用前景的节能型流量计。然而超声波流量计本身而存在许多不足之处，传统时差法测流受声速影响精度不高，不适合小管径、小流量场合等。现有国有的大多数超声波流量计虽然价格比外国的便宜，但总体性能较差；而国外的超声波流量计尽管在精度、性能和操作使用方面都由于国内的产品，但因价格昂贵，也不可能在工业界大量使用。因此有必要在现有的基础上对超声波流量测量技术进行改进和提高，使超声波流量计性能更加稳定，总体性能接近或者达到国际先进水平，以便在国内推广和使用。基于难度和可实现性，本文采用时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了一下一些主要的工作：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、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身的实际情况和现场环境研究硬件抗干扰技术；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，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；第二章时差法超声波流量计的理论研究2.1流量的基本概念单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单位为kg/s。体积流量Q的计算式为：QA式中，A为与流速v相垂直的通道横截面积，m2；v为沿通道横截面上的流体平均速度，m/s。质量流量G的计算公式为：GQVS式中，为流体密度，kgm3。2.2超声波技术概述由于超声波传播时，其声速、衰减和声阻抗都和媒质的特性与状态有关，不同性质的媒质不但影响超声波的穿透深度，也影响接收波的强度。因此，要准确地检测到超声信号并非易事，在投入设计前要对超声波及相关的知识进行介绍。2.2.1超声波的传播特性超声波通常指频率高于20KHz的机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。因为本课题主要是研究针对供水行业的超声波流量计，所以我们只以水为介质进行分析：1）超声波的传播速度超声波在水中的传播速度不但与温度有关，还受水深h和水中还盐量s的影响，图2为水中声速与温度T的关系曲线。当0≤T≤35℃，0≤S≤45‟，0≤h≤1000m时，水中声速可用下式计算：C1449.24.6T0.55T20.00029T3(1.340.01T)(S35)0.016h图2图2水中温度和深度的关系曲线超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。造成衰减的主要原因是因为一方面，超声波在传播过程中，在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下，有一部分声能会不可逆转地转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了，通常认为流体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的；另一方面，超声波在媒质中传播时，如果媒质中含有大量的散射粒子（如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等），则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的，这样就形成了散射衰减，而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源，又会向所有方向辐射声能，超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的，通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。因此，超声波在水中传播时会不断衰减，甚至会被噪声淹没。在设计过程中必须充分考虑以上两大因素，采取相应的措施确保超声波流量计的实现。2.2.2超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，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。通常所说的超声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或装置。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；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。人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。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所示：图3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(1～10)m，但这种振动的加速度很大，约(10～103)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，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。通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。图5是压电换能器的完整等效电路（电流等效电路图）。 图4压电超声换能器等效电路图图5压电换能器的完整等效电路Ca——换能器的电容 Ci——前置放大器输入电容Cc——连接导线对地电容Ri——前置放大器的输入电阻Ra——包括连接导线在内的换能器绝缘电阻由等效电路来看，压电换能器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联，为保证换能器和测试系统有一定的低频响应，就要求压电换能器的绝缘电阻应保持在1013Ω以上，这样才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则换能器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。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：）工作频率f：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。加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。）机电耦合系数K：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。最早给定义的梅森将机电耦合系数定义为贮存的机械能量Kt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。此外，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。换能器的机械品质因数Q:Q是从电学中应用到机械振动系统中来的一个m m重要物理量，它与标称宽带f密切相关，即与换能器的机电耦合系数密切2相关，而且与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Q30，在空气中Q200。 m m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。换能器的方向特性：一个发射或接收声波换能器，其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时，它发射声能是集中在某些方向上的，即具有一定的扩散角。sin11.22D式中，为超声波波长，D为换能器直径，所以频率越高，扩散角越小。但是，超声波在传播过程中，散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和2次方成正比，因此超声波的频率不能太高。(6)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。为了提高探头发射超声波的效率，常在晶片背面装上阻尼块以增大晶片的振动阻尼，并吸收晶片背面发出的超声波；同时，为了保证声能损失小、方向性强，必须把压电材料封装在声楔中，声楔应具有良好的透声性能，常用有机玻璃制成。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[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。2.2.3超声波换能器的驱动信号对其工作特性的影响任何一个换能器都有其中心频率，要使换能器工作在最佳状态，其驱动信号频率应与换能器的中心频率一致。一般可采用单脉冲信号及连续脉冲信号作为换能器的驱动信号，驱动信号的主要性能参数为脉冲宽度与脉冲幅度，这两个参数对于缩小盲区，提高探测精度有重要意义。无论什么驱动信号，在换能器正确安装的前提下，脉冲宽度的大小与换能器频率之间存在着一最佳关系式，当脉冲宽度满足该关系式时，可使换能器输出的信噪比最高。当脉冲为单脉冲信号时，由于检测系统的测量周期往往远大于脉冲宽度，因此，我们可以认为前后两个测量周期之间的驱动信号相互之间没有影响，从而可以仅仅对单一脉冲信号进行分析。对图6(a)所示脉冲信号进行频谱分析，其幅频特性如图2-5(b)所示。假设脉冲的宽度为2a，其直流成分的幅值最大，然后幅值慢慢减小至零，接下来幅度的峰值分别处于(2n+1)/2a处(n=1,2,3„),且随着n的增大，峰值逐渐减小至零。为了使传感器的输出特性最佳，所发送的脉冲信号应该在传感器的中心频率处信号最强；但另一方面脉冲宽度不能太大，否则会给接收换能器带来很大的干扰，使接收电路识别不出接收信号是否为真实信号，因此可以考虑将中心频率对应的角频率取在偏离直流信号一定角频率的第一个峰值32a处。于是又下面的公式成立：2f32a0式中，f为换能器中心频率，a为脉冲信号宽度。0图6脉冲信号及其幅频特性2.3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。其基本原理如图7所示。超声换能器A、B是一对可轮流发射或接收超声脉冲的换能器，其安装方式采用管外夹装式。设超声波信号在被测流体中的声速为C，超声波顺流时从A到B的时间为t，逆流时从B到A的时间是t，由于换能器布置在管外，超声波在换能器和2 图7时差法工作原理图管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，这三种传播时间总称为延迟时间，0远小于超声波在流体中的传播时间，则有：0dcost1Cvsin0dcostCvsin02dvtgttt 2 1C2v2sin2在一般工业测量过中，超射波在液体中传播速度（水中约为1450m/s）比液体的流速大得多，即C2v2sin2,所以顺逆流时间差ttt可化简为: 2 12dvttttg 2 1C2因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为：C2vt2dtgd2Qv42.4提高测量超声波传播时间精度的方法由上节时差法超声波流量计的基本原理我们可以看到，时差法超声波流量计的测量精度与超声波传播时间的准确测量密切相关。只有在既能稳定、准确地测量传播时间又能有效地对顺、逆流传播时差进行计算的前提下，才谈得上测量精度。但是，在错综复杂的工业现场，接收的信号常常伴随着各种外来干扰，如流体介质中的杂质颗粒和气泡等产生的干扰，特别是来自外界的电磁干扰等，这些干扰信号成为准确测量超声波传播时间的主要障碍。因此，如何确保超声测时的准确性以及选用何种方法计算时差成为时差法超声波流量计测量的关键，为此人们常在测量回路上采取一些措施，常见的方法有：2.4.1阀值法设置阀值，当接收信号高于阈值时，即认为信号到达，一般采集信号的第2个峰值（如图7），然后减去一个周期，所得结果为信号的传播时间。这样处理存在以下弊端：图7接收示意图1)信号在流体中传播时，其强弱容易受到流体中的杂质、气泡等诸多因素的影响，产生反射、折射、吸收等现象，使得超声波能量衰减不一，阈值电压难以设定：阈值电压设定后，当接收信号强弱变化时，就可能会使第一个波形超过阈值电压而被接收，误当作第二个波形处理；或者当第三个波形来到时才高出阈值电压而被采集，这样会严重影响流量计的精度；实际采集信号时，常常是选取波形上升沿的某个位置，如图7所示，这样实际采样点与信号达到时刻相差不是一个整周期，这样即便是减去一个周期的时间，测量值还是存在明显的误差，尤其是频率比较低时上升沿的坡度变得缓慢，误差也会随之加大；由于阈值选定，就对信号的放大倍数提出了一定的限制，不能过高或者过低，所以当电路受到外界环境的影响（比如温度变化等）使得接收信号的强度发生变化时，直接影响检测的波形，导致测量不准确。2.4.2设置接收窗口一般测量传播时间，都是以收到的的第一个接收波作为计时开关信号的。从发射超声波脉冲起至接收到第一个波为止的时间间隔内，由于接收门一直敞开着，外界各种干扰信号都很容易侵入，从而影响测量的稳定性。克服此弊病的最有效方法是设置一个能跟踪目标的窗口，在此窗口内接收门是打开的，除此之外，门一直是关闭着，可以有效的防止干扰信号的侵入。但设计此窗口宽度时，必须考虑介质温度变化所引起的声速变化以及环境温度对电子元件参数影响等因素。2.4.3PLL锁相回路法在超声波流量测量中，传播时间只有几百μs，用一般计时脉冲（如1MHz）来计时是不能满足要求的。为了达到1ns的分辨率，往往需要1000MHz计时脉冲，并且相应的要提高各种门电路的开关速度，这是不现实的。采用锁相技术可以解决这一问题。PLL锁相回路的基本原理如图8所示，设置一个电压控制振荡器VCO，同步信号发生器使发射器激励换能器，发射超声波脉冲，同时使计数器开始计数VCO的频率，在时间差检测回路中，计数终了信号N/f与超声波在介质中传播时间进行比较，时间差信号被变换成电压后去调节VCO。在闭合回路达到稳定状态时，时间差信号为零，t=N/f。这样的调节每秒可以进行数百次，故响应较快。但是PLL锁相回路没有从本质上解决由于设定阈值而带来的误差问题。图8锁相回路工作原理2.4.4自动增益控制利用自动增益放大控制电路，在每次测量结束后，根据接收信号的强度自动调节接收机增益。若检测到噪声或输入信号太强则调小增益，如果输入信号太弱且噪声级很低则调大增益，仪器将新的自动增益设置值作为在下一次测量中的增益初始值。自动增益控制电路保证了每次检测门槛的精确性。2.4.5双触发回路所谓双触发回路就是预先设置两种不同的触发电平，当接收波形变化时，改变触发电平，自动选择最佳触发电平来检测时间。如图9所示，通常以L电平来检测时间（见实线部分），在稍许高的电平上预设H电平，当波形变化时（见虚线部分），若继续在L电平上触发，就会引起误触发，产生时间检测误差。此时可改用H电平触发，即由第二个波触发变到第三个波触发。如果能引入第二个波与第三个波元时间差的时间补偿，测得传播时间的绝对值也就不变，待接收波恢复，再返回到用L电平触发。图9双触发原理图由于双触发回路中包含有误触发检测回路、触发选择回路和延迟时间补偿回路等，因此它增加了硬件电路的复杂性。2.5超声波流量计的修正2.5.1流速的修正在上文讨论的时差法超声波流量计中，我们所提到的流速v都是理想状态下沿管道截面平均分布的面平均流速，在实际情况中，由于管道截面上流体流速的分布不均匀，通过式计算得到的流速v并不是要求的横截面上的流体平均速度V，它实际上是超声波信号穿过流体所测得的沿超声波传播路径上的线平均流，用它进行流量计算势必会产生误差，所以要保证测量的精确度则需首先确定V与v的关系，也就是利用流体力学原理加以修正，即在上面的公式中加入流修正系数K，即体积流量Q为：vd2Qk 4式中，K为流速分布修正系数，即管道中流体线平均流速v和面平均流速V之比；d但是由于管道流体流速分布规律的极其复杂性，人们对流体流速分布规律的研究仅限于理想管道流,即光滑层流条件下的流体流速分布规律和光滑紊流条件下的流体流速分布规律。层流和紊流是流体流动的两种状态。流速较低或管壁粘性较大时，流体流动的状态是平滑的层状流动，主要是轴向的运动；流速较高或管壁粘性小时，流体质点呈杂乱不规则的流动，即紊流，此时管内流体的流动不仅有轴向的还有横向的。两种不同流动状态对应着管内的速度分布也不同。层流状态下的速度分布形式为抛物线状，而紊流状态下流速以管道轴线为中心呈对数曲线对称分布，即管道内的速度分布趋于平坦，因此紊流状态的速度分布比层流状态的速度分布均匀得多，超声波流量计也更适合在紊流状态流体中应用，以减少由于流速分布不均匀带来的误差。根据流体力学可知，雷诺数Re是流体流动状态的一个判断依据，一般认为，Re=2300可作为流体从层流状态到紊流状态的临界判断，其计算公式如下：v RDe式中v为流体的平均流速，D为管道直径，为管道中流体的运动粘度，为流体的密度。1)当Re<2300时，流体流动为层流状态，管内流体流速分布为:rv(r)v[1()2] max R式中，v 为管道中心处的最大电流；maxR为管道半径；r为与管道中心的径向距离。那么，在层流状态下，v 与v的关系为：max2RvdrRv[1(rR)2]v0r0max 2v 2R R 3max2)当Re>2300时，流体开始向紊流状态过渡，通常介于层流和紊流之间的状态也作为紊流状态处理，管内流体流速分布为：rv(r)v(1)1nmaxR式中，n随R不同而变化的系数，其值见表1所示：eeR4.0*1032.3*1041.1*1051.1*106>2.4*106n2.02.68.810.0表1n与R的关系那么，在紊流状态下，v与v的关为：m2RvdrR(1rR)1ndrv0r0 nv 2R R n1max而我们所需要知道的是管道截面上的平均速度v，同样利用前面公式，可知d层流状态下v与v的关系为： d maxR2v1(rR)2rdr Q max1vv0vd A R2 2max可知絮流状态下，v与v的关系为：d maxR2v(1rR)1nrdr Q max2n2vv0 vd A R2 (2n1)(n1)max由以上公式可知，层流时流量修正系数为：4K3絮流时流量修正系数为：2n1K2n2.5.2折射角的修正夹装式超声波流量计除了做流速分布修正外，必要时还要对角进行修正，根据角随流体中声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数，因此，必须对角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。sinsinsin0 1 C C C式中，为超声波声楔的入射角；为超声波在管壁、流体中的折射角；1C 、C 、C为超声波在声楔、管壁、被测流体中的速度。图波在流体中的角不但受到流体声速的影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固有材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计但在温度变化范围大的情况下（例如高低温换能器工作温度范围-40～200℃）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。图图10夹装式超声波传播途径可得关系式：arcsin(Csin) C0 0因为中C和为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。这样就以过修正后的C对进行修正了。第三章时差法超声波流量计的总体设计本课题研究的超声波流量计是采用时差法测量原理来进行流量检测的。通过查阅国内外的有关文献，分析国内外的各种产品，确定实现具有国内外先进水平的流量测量系统，设计的时差法超声波流量计要求具有测量精度高、操作简便、安装调试简单、成本低及可靠性高等特点。3.1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11所示：图11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。3.2测量原理3.3.1声学原理如第二章第三节所述，当管道中以速度V流动时，超声波信号在流体中的顺、逆流传播时间分别为t、t，那么对于V型安装有：22dcost（3—1）Cvsin2dcost（3—2）Cvsin4dvtgttt（3—3）2C2v2sin2C2vt（3—4）4dtg但是，由式（3-4）我们可以看到流体的流速v与超声波速度C有关，而C又受温度、水深等物理参数的影响，如果直接利用式（3-4）进行流量计算势必会造成比较大的误差，因此，可以采用改进型时差法，利用数学变换将影响测量精度的超声波速度C剔除。由式（3-1）、（3-2）可知：2dcosCvsin（3—5）t12dcosCvsin t （3—6）2式（3-5）、（3-6）相减可得： tt 2dv21（3—7）ttsin212式（3-7）与（3-4）相比，消掉了超声波速度C这一项，因此，改进后的时差法公式消除了C对测量结果的影响，从理论模型上提高了流速度测量精度。图12基本声学原理图3.2.2测时原理由第二章第四节的分析，时差法超声波流量计的精度与所检测到的传播时间的准确度有关,采用可靠的传播时间测量方法是确保时差法超声波流量测量的关键问题。由式（3-7）可以看出： t 2dvkf(t,t,t),ktt12sin212由数学知识我们可以知道：vkt t tt2 1 21vkt （3—9） t tt2 1 12 v k ttt12由式（3-9）可以看出，k越小，v对时间参量要求的精度就越大，也就是说管径越小就越难以测量。根据课题的要求以及计算的方便我们所测管径的最小值为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度为1450m/s；发射角θ为450。当流体流速为V=1m/s时：t=97.484us,t=97.579us，t9.5E8s也就是说超声波顺逆流发射的播时间差t仅为95ns左右，如果要求系统测量精度为1％，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来计时，并且相应的要提高各种门电路开关速度，在现今电子技术发展情况下，这样高的频率时钟电路和计数电路都难以实现，可见极力去精确测量单个纳秒级的时差是不现实的，为了解决这个难题，我们采用多脉冲法作为本课题的测时方法。多脉冲测量方法是进入九十年代以来，国外生产厂家首先采用的一种测时方法，美国康创公司推出的UNIFLOW流量计以及最近我国深圳晨光科技实业有限公司在引进德国技术的基础上设计的ZCL-15系列时差法流量计均采用了多脉冲法，但多脉冲仅仅作为一个术语出现在产品介绍，或在产品说明书中一带而过。我们通过对以往人们常用的超声波测时方法的分析，结合微处理器的特点，对超声波时差流量测量的多脉冲测量方法进行了较深入的研究。多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间，而且能在流量测量过程中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做出了合理估计，从而确保了流量测量的精度。所谓多脉冲测量方法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其工作示意图见图13，首先使一个超声波换能器T作为发射探1头，另一个换能器作接收探头，如图13（a）所示，然后将触发信号施加在发射探头T上使其发射超声波。超声波顺流传播被接收探头T接收并转换为电信号，2接收的电信号经放大、整形处理后又代替触发信号去触发换能器T第二次发射超1声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。在完成N次声循环后循环停止，假设这N次顺流声循环所需的时间为t，它包含N次固有延迟时间(i)，（i＝1，2，3„N）之和以及N个超声在水中单次顺流传播时间t之和，即：1tN(i)Nt（3—10）s 1i1图13超声波多脉冲法示意图1信号施加在发射探头T上使之开始发射超声波，接收探头T接收到超声波后，经放大、整形处理，触T第2环，同样可知超声波完成N次逆流声循环后所需的时间t包含N次固有延迟,(i)n之和以及N个超声波在水中单次逆流传播时间t之和，即：2tN,(i)Nt（3—11）2i1当图(a)和图(b)中的发射电路、放大电路等采用完全相同的电路而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总和是相等的，即：N(i)N,(i)（3—12）i1 i1于是：tt t(tt)n s 2 1 N （3—13）由式（3-13）可看出时间差t不用再去测量难以准确计量的微小时间t1、t2，而是改测相对足够大的时间ts、tn。应用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后，现有的电子线路可以非常容易的对t、t进行的侧s n量，时间差t的准确测量就变得容易。下面从数理统计上对单脉冲和多脉冲方法进行分析比较，说明多脉冲的优越性。如图13所示，设脉冲周期为T，电路延迟时间为ε，计数器引起的时间误差为，随机噪声引起的误差为（满足正态分布）；理想情况下一个脉冲由发射到接收的时间为t；而实际中单脉冲由发射到接收的时间为t，多脉冲由发射真到接收的时间为t,，对于多脉冲每个脉冲到达的时刻为t 则每个脉冲由发射到i，接收的时间为t,（i=1,2,3,„，n），那么：对于单脉：tt（3—14）真对于多脉冲：tt真 1 1 1ttT（3—15）真 2 2 2tt2T真 3 3 3Mtt(n1)真 n n n由波形可知，t,与t之间只差一个脉冲周期的时间（这么假设超声波在传播过程中波形不变，同理，t,与t只差（i-1）T的时间，则可得到下式 i it,1t真111t,t真 2 2 2t,t（3—16）真 3 3 3Mt,nt真nnn上式表示脉冲串中每个脉冲激励换能器发射超声波到接收的时间，那么对于脉冲串送给单片机做数据处理的传播时间可用这n个脉冲的传播时间的平均值表示：t,t,t,At,t,1 2 3 nnntAAA 真 1 2 n 1 2 n 1 2 nnmnnn 真 i1i i1i i1 i nn1n1n1nn in in ii1 i1 i1而对于任意一个单脉冲：tt，t与t，相比，只是误差项不同，多脉冲误差为n项求和取，从数理统计的理论可知，测量值t，要明显优越于t，所以多脉冲法相对其他方法有其优越性，能减小误差从而保证传播时间的精度。图14多脉冲法超声波接收原理图3.3系统硬件框图主单片机LED键盘时钟数据存储器切换开关接收电路发射电路信号调理计数电路V图15系统硬件结构框图具体电路将在下一章详细介绍。这里大致介绍一下系统的工作过程：单片机收到键盘发出的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一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。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LED上显示出来。第四章时差法超声波流量计的硬件设计4.1超声波换能器的选择超声波换能器（以下简称探头）是超声波流量计的重要组成部分，是利用超声波技术进行流量测量的关键，它的性能直接影响到整个检测系统的性能和可靠度。探头的种类很多，性能各异，因此需要根据实际情况，合理的选择：频率：超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz～2MHz。超声波的频率越高，声束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨率也越好。按理说为提高计时精度，应当选高频率的探头；但是对于同一材料来说，超声波在传播过程中的散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和2次方成正比，所以频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。入射角：这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被探头接收。若管道为钢管，探头用有机玻璃作为声导，一般入射角选取28.70到600之间。发射强度：由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度。综合以上因素，在本设计中，我们选用中心频率为1MHz的探头，入射角为450。4.2超声波发射和接收电路在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。4.2.1超声波发射电路接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）。由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实现；此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高。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，具体电路连接如图17所示。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。图17图17超声波发射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。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主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成。1)放大电路通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的，只有几毫伏，而一般ADC需要采样的信号的幅值为5V，所以必须对它进行放大。放大电路采用三级放大，第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有程控增益调整功能的芯片AD603来实现，这样当第一级和第三级确定后，可以通过调节AD603控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅值。高输入阻抗的前置放大电路该电路的主要作用是对超声波换能器的接收信号进行阻抗匹配放大。超声波换能器的阻抗很大，一般在106Ω以上，普通的放大器很难与之匹配，只有MOS结构的放大器才有那么高的输入阻抗。所以，我们选择高输入阻抗运算放大器LF357，它采用JFET组成差分输入级，其输入阻抗高达1012Ω。在设计中，LF357采用同相放大接法，这级的放大倍数是A1RfR111。其电路如图18所示：图图18前置放大电路自动增益放大电路由于超声波流量计测量管径的范围很大（几厘米～几米），而且管壁情况和流体介质也有很大差异，因此接收信号的幅值会有很大的不同（几毫伏～几百毫伏）如果仅采用普通的集成运算放大器，对超声波接收信号采用幅度鉴别的方式则可能出现误判的现象。为使放大后信号的幅值保持在同一数量级，要选用自动增益放大电路来放大信号。通常采用程控增益放大器来完成这一功能，其工作原理是将放大后接收信号的峰值采样保持下去，经A/D转换后去控制程控增益放大器的放大倍数，使输出保持稳定。使用程控增益放大器的不足是所用的器件较多，电路设计也较为复杂，而且其跳跃性的放大倍数可能会造成电路工作的不稳定。本文采用美国ADI公司的AD603压控VGA芯片作为自动增益放大器。AD603是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。AD603的外部结构图如图19所示： 图19AD图19AD603引脚图管脚5：FSBK反馈网络连接端；管脚6：VENG负供电电源端；管脚7：VOUT运放输出端；管脚8：VPOS正供电电源端图20AD603图20AD603结构框图25Mv/dB，即若V的变化范围为1V，增益变化范围为40dB，由于控制电压GPOS/GNEG端输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。无源输入衰减器由一个可从0dB到-42.14dB变化的衰减器组成，这个衰减器与固定增益放大器中的固定增益运放相连，由于该衰减器的存在，即使有大的输入，固定增益运放也不会受到冲击，而且还可以与运放构成负反馈确保增益的稳定性。衰减器包括7段R-2R梯形网络，每个节点依次衰减6.021dB，如图从0dB到-42.14dB。其衰减的程度受当VG的控制。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，其频带宽度可以为：9MHz、45MHz、90MHz。当AD603的脚5和脚7短接时，AD603的增益为40V+10，这时的增益范围G在-10～+30dB；当脚5和脚7断开时，其增益为40V+30，这时的增益范围为10～50dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益围将处于上述两者之间，比如当接一个2.15kΩ的电阻时，增益的变化范围为40V。在这里，我们在AD603的脚7和脚5接了一个电阻2.15Ω的电阻，这样增益的变化范围为40VG，且信号的带宽大于90MHz。当VG的取值为0.5V时，就可以实现0dB范围的变换，通过PWM反馈和固定电压0.5V的差动输入，达到自动增益调节的目的。③第三级放大电路末级放大电路的作用是将第二级放大输出的信号进一步放大，以满足信号检测和鉴别电路的要求。我们选用具有高增益带宽的放大器NE5532N，其增益带宽积可达20MHZ，采用同相比例放大电路，其电路图见图21，选取R为1K，3R为20K，R 为50K，电路的闭环电压增益A1(RR)R71。4 5 4 53滤波电路在超声波接收信号中，往往会掺杂一些干扰信号，在电路设计中，应尽可能将这些干扰信号除去。但是要完全把干扰信号除掉是不可能的，我们只能将这些干扰信号尽可能减小。因为超声波信号的频率大致为1MHz，由运放和电容等器件构成的有源滤波器的带宽一般较窄，通常不适用于高频范围，最大在几百千赫兹，且在这个频率附近不易采用，而若采用专用集成的滤波电路造价又偏高，因此我们决定采用由电感和电容组成的LC滤波器。图21第三级放大电路图图22滤波电路如图22所示，由L、C组成并联谐振，将谐振频率设在1.5MHz，由L1、C1以及L2、C2组成串联谐振，整个形成T型网路，实现了带通滤波。接收范围门由于发射信号功率较大，发射信号通过电路和声路都可以耦合到接收电路上，影响接收信号的接收。所以可以采用范围门防止发射脉冲对接收信号的干扰。在设计中，接收电路并不是在超声波发射一开始就打开的，而是根据信号预期最早和最晚到达时间设置一个接收范围门。首先，根据声路长度来估计一个脉冲最早和最晚可能到达的时刻，在最早时间的0.6倍处打开接收电路，这样，一方面可以防止发射超声波直接耦合到接收换能器中，另一方面可以排除开关动作带来的干扰；然后，通过设置软件延时，在最晚到达时间的1.5倍处关闭接收电路。接收电路的开通和关闭可通过单片机的I/O口控制来实现。采样保持电路超声波接收信号经过放大和滤波后，进入采样保持电路。采样保持电路对接收到的超声波信号的第一个峰值进行采样，并将它保存下来。这样，就可以利用A/D转换器将采样到的信号转化为数字信号，供控制单元进行增益控制，保证测量的准确性。具体电路如图23所示：图23采样/保持电路图(ADDRESS)和数据输出(DATAOUT)，这样就和微处理器的串口有一个直接的4线接口，从而可以实现与微处理器之间进行高速数据传输。经过A/D转换器得到的信号峰值电压数值通过串口送到微处理器保存起来，作为下一次测量时的控制电压参数值。在每次进行测量之前，应该先根据上一次A/D转换器测得的电压值(第一次可以给出一个初始值)来调节第二级放大器增益控制端的电压。这个控制电压是由D/A转换器和电压调整电路构成的。D/A转换器选用带有缓冲基准输入(高阻抗)的10位电压输出数模转换器(DAC)TLC5615，DAC具有基准电压两倍的输出电压范围，且DAC是电调变化的。器件使用简单，用单5V电源工作，功耗低，具有上电复位功能以确保可重复启动。器件的更新频率可以达到1.2MHZ，典型建立时间为12.Sμs，并且在温度范围内保持单调性。CPU根据上一次A/D转换器测得的电压值计算出本次测量时D/A转换器应该补偿的电压值，通过与TLC5615的串口将数据传送给D/A转换器，然后D/A转换器将其转换为模拟电压输出。这个电压经过电阻分压后在运算放大器的同相端产生一个电压，再经过运算放大器放大输出，这样就得到了AD603增益控制端的电压，从而起到调节放大电路增益的目的，实现信号放大的自动增益控制。电压比较电路正确地确定超声波接收信号的到达时刻是整个电路中一个很关键的地方，它直接影响到超声波传播时间的测量精度。在这里，我们采用了电压比较电路对接收到的信号进行有效性检验，利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点、0.2V处进行检测。电路主要由高精度的过零比较器MAX913和高速双路电压比较器MAX902组成。由过零比较器可得到过零点信号；由双路电压比较器可得到过+0.2V和-0.2V信号，这三个输出信号最后都送到单片机进行逻辑控制。其电路见图24所示：图图24电压比较电路图24电压比较电路切换控制电路该部分的作用是用来完成两个超声波探头和发射、接收电路的切换的。作为对模拟信号的切换，可以有以下两个方案：采用模拟开关。模拟开关的开关频率高，对信号的影响比较小，但由于切换的双方是接收到的微弱的超声信号和用于发射的高压信号，难以找到既能够承受高压又能使得传输的微弱信号失真较小的芯片；用继电器进行切换。当信号接通后，由于继电器实际上就是导线，所以不存在信号失真的现象，并且还能完成信号的隔离。但继电器的开关频率有限，而且有一定的总开关次数限制，一般在100万次；鉴于以上原因，我们暂时选用了继电器方案，选择2个直流电压控制的固态继电器实现换能器的发射、接收转换。在实际电路中，我们采用了74LS138来对从单片机送达的控制信号进行译码，决定该接通哪一个继电器。例如，如果接通继电器1，因为继电器1连接着换能器T1和T2，其中T1与发射电路相连，而T2与接收电路相连，这样T1就成为了发射换能器，T2成为接收换能器，这时通过继电器的“导通”和“关闭”，就决定了换能器的状态，所以继电器起到了“收发切换开关”的作用。一般的数字电路的输出是不足以驱动固态继电器的，为此，我们还选用了74LS06通过上拉电阻来为继电器提供足够的电流来对其进行操作。4.3信号采集及控制电路4.3.1单片机的选择信号采集与控制电路的核心部件是单片机，主要完成发超声波命令，并且使测量模块的各部分协调工作，处理测量信息和各部分的状态信息。本设计采用的是89C51。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要有以下显著特点：·4KB可改编程序FLASH存储器，可经受1000次的写入/擦写；·全静态工作：0Hz～24MHz；·3级程序存储器保密；·128×8字节内部RAM；·32条可编程I/O线；·2个16位定时器/计数器；·6个中断源；·可编程串行通道；·片内时钟振荡器。4.3.2电路设计控制技术部分电路主要完成以下控制功能：⑴控制超声波换能器的切换并触发换能器的第一次超声波发射；⑵接收电路范围门的控制；⑶控制计数电路的工作时序并从锁存单元读取计数值。具体电路如图25所示，单片机的P1.0口发出低电平方波，可控制触发器、计数器以及分频计数器的复位、清零，并使关闭。P1.1输出一个短时间的高电平方波，通过门电路去触发超声波的第一次发射，同时触发触发电路，于是计数电路开始对晶振电路输出的高频方波计数，当脉冲个数达到预定值时，关闭触发器，计数电路停止计数并将计数值所存到74ls245中，然后单片机通过P0口将所存值读入，就可根据上位机的操作做相应处理。4.4信号处理及人机接口电路信号处理和人机接口电路主要实现对数据的处理和整个流量计的控制，它有单片机89C51外加辅助设备组成。4.4.1数据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。考虑到存储器在存储空间、存取速度、接口上的要求，我们选用Flash存储器AT29C010A芯片作为本系统的存储器。图25控制计数部分示意图AT29C010A存储器与单片机的硬件接口电路图如图26所示，用AT89C52的P0口作为存储器的数据输入/输出端，通过P0口经74HC373输出低8位地址，P2口和8155的PB6输出端作为存储器A8～A16地址，CE接ALE，WE接P3.6，OE接P3.7。用AT89C52内部RAM(80H～FFH)作为数据缓冲区存放要写的数据。设定扇区地址为00000H～007FH和00080H～000FFH。图26AT29C010A硬件接口电路4.4.2键盘显示电路根据硬件设计思想，在使用超声波流量计进行测量前需要设定一定的参数，这就需要一个键盘阵列来实现这种人机对话的功能。连接原理图如下图27所示：图图27按键显示电路4.4.3时钟电路DS12887是美国达拉斯半导体公司最新推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，同时它与目前IBMAT计算机常用的时钟芯片MC146818B和DS1287管脚兼容，可直接替换。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口DS12887芯片具有微轼耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：(1)内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。(2)计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。(3)二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹。(4)12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PWM和AM指导，有夏令时功能。(5）MOTOROLA5和INATAEL总线时序选择。(6)有128个RAM单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。(7)可编程方波信号输出。(8)中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。在实际使用中，为了和89C52单片机统一，我们将MOT管脚接地用于选择INTE时序，时钟的片选信号接89C52的P1.3。其与主单片机的接口电路如图28所示。4.4.4与PC机通讯接口考虑到大部分计算机只有RS－232接口，所以我们专门设计了一个RS－232接口实现与上位机的通讯。计算机的串行口通常采用一个25针或9针的D型连接器，在本设计中我们选用了9针型的D型连接器，如图29所示：图28实时时钟与单片机接口原理图图299针D型连接器要进行通常的串行通信，只需其中的三根线就可以了，即2、3、5三根线，分别是数据输入、数据输出、地线。由于单片机提供的电平是TTL的，而计算机提供的是RS232电平，要实现单片机与计算机的通信，必须对它们进行电平转换，可用MAX232芯片来实现。具体电路如图30所示：图30MAX232芯片接口图4.4.5硬件抗干扰设计超声波流量测量的准确性很大程度上依赖于系统对超声波信号的正确识别，然而超