課程設計-- 基于超聲波原理的流量計設計

1、<p>　　基于超聲波原理的流量計設計</p><p><b>　　1.設計思路</b></p><p>　　按照題目要求設計一個主要是基于超聲波時差法結合P89LPC932單片機完成整個系統(tǒng)的設計，其中時間測量采用單片機對微小時間進行測量，流量測量值由數(shù)碼管顯示。</p><p>　　超聲波流量計是由超聲波換能器、電子線路及流量顯示

2、和累計系統(tǒng)三部分組成。</p><p>　　超聲波時差法完成整個設計的關鍵問題是：時差法的工作原理是什么；超聲波換能器如何進行轉換；如何進行微小時間的測量。</p><p><b>　　2.方案設計</b></p><p>　　2.1 時差法超聲波流量計的原理</p><p>　　時差法超聲波流量計（Transit Ti

3、me Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如圖1所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順溜和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，在通過流速來計算流量的一種間接測量方法。</p><p>　　超聲波在流動的流體中傳播時就載上的流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。</p><p>　　圖1

4、時差法超聲波流量測量原理示意圖</p><p>　　圖1中有兩個超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流速度為tu,逆流速度為td,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ。由于流體流動的原因，是超聲波順流傳播L長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差可用下式表示：</p><p&

5、gt;　　其中：c是超聲波在非流動介質中的聲速，V是流體介質的流動速度，tu和td之間的差為：</p><p>　　式中X是兩個換能器在管線方向上的間距。</p><p>　　為了簡化，我們假設，流體的流速和超聲波在介質中的速度相比是個小量。即：</p><p><b>　　上式可簡化為：</b></p><p>　　也

6、就是流體的流速為：</p><p>　　由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。</p><p><b>　　流量Q可以表示為：</b></p><p>　　如果已經知道了L、c、D 和θ ，只要能夠測得順流和逆流傳播時間差 （ Δt ）就可以求出速度V，進而得到瞬時流量。</p><p><

7、b>　　2.2 工作過程</b></p><p>　　單片機發(fā)出測量命令后產生一定的波形，先對計數(shù)器清零，接著同步啟動發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波脈沖，同時使計數(shù)器開始對高頻方波進行計數(shù)，在接收端收到脈沖信號后，一部分返回發(fā)射端代替同步信號觸發(fā)發(fā)射電路再次發(fā)射超聲波，另一部分進貼分頻電路進行分頻，如此反復形成順流發(fā)射的多脈沖循環(huán)。當完成所定的多脈沖個數(shù)后，分頻器產生一個信號，關斷高頻方波，

8、使計數(shù)器停止計數(shù)。</p><p>　　這個過程可以得到順流傳播的傳播時間，用同樣的方法可以得到逆流方向傳播時間，并通過并行口送到單片機上。單片機收到順逆流的傳播時間計數(shù)值后，采用數(shù)字濾波器對時間信號進行濾波處理，并根據(jù)實際情況計算出相應的流速和流量，保存到存儲器中，并送到數(shù)碼管LED上顯示出來。系統(tǒng)框圖如下：</p><p><b>　　3.單元電路的設計</b>&

9、lt;/p><p>　　3.1 超聲波換能器</p><p>　　超聲的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉換裝置，這就是換能器。超生換能器，也即超聲傳感器，是超聲流量計中的重要組成部分。通常所說的超生換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉化為聲能、又可以把聲能轉化為電能的器件和裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉化為機械能，再將機械能轉化為聲能；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能

10、轉化為機械能，再轉化為電能。</p><p>　　3.1.1 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路的主要目的是驅動超聲波發(fā)射探頭內的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠的距離，實現(xiàn)測量的目的。驅動超聲發(fā)射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。本設計中采用的

11、是由單片機發(fā)出的方波，單片機P3.7輸出方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極。另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)。用以提高驅動能力。上拉電阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04AN輸出高電平的驅動能力。另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時間，下圖為超聲波發(fā)射部分電路圖。</p

12、><p>　　圖2 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.1.2 超聲波接收電路</p><p>　　超聲波接收器包括超聲波接收探頭、CX20106A處理兩部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關鍵是頻率要一致，否則將因無法產生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，經過CX20106A處理后產生負跳變，引起單片機的外部中斷，

13、下圖為超聲波接收部分電路圖。</p><p>　　圖3 超聲波接收電路</p><p>　　3.1.3 換能器的安裝</p><p>　　考慮流體的種類、濁度、溫度和流向, 在計算中作為參數(shù)進行初始化。管道的襯里、內外徑和直管段長度作為初始參數(shù)輸入測量主機采用雙CPU 并行工作, 串行數(shù)據(jù)接口, 可完成信號控制手動操作、循環(huán)控制和系統(tǒng)自檢測。換能器的安裝選擇V型結構

14、，如圖4所示，V型結構既保證了波的傳播方向又可以擴大聲程，是現(xiàn)在國際流行的兩個換能器安裝在同一側的設計。所以我們的換能器將采用單通道V字型安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，單通道形式可以消除由雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一些附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側，讓超聲波在管壁對側反射一次的方法還可以減少流速斷面分布均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中反射引起的對測量的干擾。</p>&

15、lt;p><b>　　圖4 換能器的安裝</b></p><p>　　3.2 方向切換電路</p><p>　　通過555繼電器切換傳感器方向，進行順逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣既降低了成本，又消除了非對稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過通過使用單獨的繼電器分別對發(fā)射和接收換能器進行控制，是換能器發(fā)射和接收電路完全隔離，消除了發(fā)射信號對接收的影響，下圖為方向切換電路部

16、分電路圖。</p><p><b>　　圖5 方向切換電路</b></p><p>　　3.3 D/A電壓調節(jié)</p><p><b>　　3.3.1組成：</b></p><p>　　超聲波信號處理包括放大電路、濾波電路、二值化電路。放大器采用高頻、可電壓調整增益運算放大器AD603，如圖6所示。

17、濾波電路采用高Q 值濾波器，提高了信噪比，如圖7所示。二值化電路采用高速比較器LM339，如圖8所示。通過放大以后的超聲波回波信號經過濾波，進入二值化電路，產生回波脈沖信號，送入單片機中，進行時間測量的控制。</p><p><b>　　3.3.2 作用：</b></p><p>　　調節(jié)高壓，產生激勵電壓調節(jié)范圍，用來形成發(fā)射電路所需發(fā)射功率。</p>

18、<p>　　調節(jié)放大電路增益，實現(xiàn)信號的增益控制。(c) 調節(jié)二值化電路的參考端輸入電壓。使之與放大后的回波信號相比較。</p><p>　　圖6 可編程增益放大器</p><p><b>　　圖7 低通濾波器</b></p><p><b>　　圖8 二值化電路</b></p><p&

19、gt;　　3.4 對微小時間的測量</p><p>　　為了達到較高的分辨率和較短的采樣時間的目的，通過單脈沖所需的時間來實現(xiàn)。該接口電路采用的是8052單片機實現(xiàn)對周期信號的測量。采用8052內部兩個16位寄存器（定時器0和定時器1），定時器1為計內部機器周期，定時器0為計通過的脈沖數(shù)。</p><p>　　通過圖9電路可以保證單位計數(shù)脈沖的完整性。(1)通過P1.6，P1.7把RS觸發(fā)

20、器的輸出腳置1，D觸發(fā)器只有在CP的上升沿才變化，置Q為1 ；（2）這時內部定時器的INT1=1，定時器1開始計內部機器周期數(shù)，同時內部定時器0開始輸入脈沖數(shù)（T0發(fā)生由1到0的跳變，計數(shù)器加1）；（3）當輸入脈沖計數(shù)到后，通過P1.6，P1.7置1 ，使RS觸發(fā)器輸出為0，僅在CP上升沿才使D觸發(fā)器輸出Q由1變?yōu)?，這時定時器1停止計內部機器數(shù)，定時器0也停止計外部脈沖數(shù)，這樣不僅僅保證計數(shù)脈沖完整，而且也是計的單位完整脈沖期間的機器

21、周期。</p><p>　　圖9 微小時間的測量電路</p><p>　　3.5 顯示器采用LED顯示</p><p>　　超聲波測流量系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結果采用十進制數(shù)字顯示。只需能顯示0-9的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導體數(shù)碼管即LED。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的g-a七個發(fā)

22、光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法向反。LED數(shù)碼管具有亮度大，響應速度快等優(yōu)點。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示液位變化。在此選用的是共陰極接法。</p><p>　　本設計采用單片機直接驅動LED的方法，通過軟件的編譯來實現(xiàn)由二進制到BCD碼的轉化，從而簡化了顯示電路。但是，在制作超聲波測距系統(tǒng)的過程中，我發(fā)現(xiàn)由單片機直接

23、驅動LED顯示，電流較小，LED雖然有顯示但是比較暗，因此我用了三極管來對電流進行放大，解決了這個問題，下圖為顯示部分電路。</p><p><b>　　圖10 顯示器電路</b></p><p>　　3.6 整體原理電路圖</p><p>　　原理圖如圖10所示。</p><p><b>　　圖11 工作原理

24、圖</b></p><p><b>　　4.小結 </b></p><p>　　通過本次課程設計，我了解了超聲波的一些基礎知識，時差法測流量的基本原理。在課程設計的實驗過程中，我遇到了不少的困難，主要集中在805252單片機的程序連接上，計時器以及切換電路的設計，經過同學和指導教師的幫助我總算是完成了實驗，由此可見我在設計上確實存在不足，以后需要進一