課程設(shè)計(jì)--基于超聲波原理的流量計(jì)設(shè)計(jì)

1、 基于超聲波原理的流量計(jì)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)思路按照題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)主要是基于超聲波時(shí)差法結(jié)合P89LPC932單片機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中時(shí)間測量采用單片機(jī)對微小時(shí)間進(jìn)行測量，流量測量值由數(shù)碼管顯示。超聲波流量計(jì)是由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累計(jì)系統(tǒng)三部分組成。超聲波時(shí)差法完成整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是：時(shí)差法的工作原理是什么；超聲波換能器如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換；如何進(jìn)行微小時(shí)間的測量。2.方案設(shè)計(jì)2.1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理 時(shí)差法超聲波流量計(jì)（Transit Time 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(shí)）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲

2、波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，在通過流速來計(jì)算流量的一種間接測量方法。超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)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。圖1 時(shí)差法超聲波流量測量原理示意圖圖1中有兩個(gè)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(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)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(dòng)方向加角為。由于流體流動(dòng)的原因，是超聲波順流傳播L長度的距離所用的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，其時(shí)間差可用下式表示：其中：c是超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的

3、聲速，V是流體介質(zhì)的流動(dòng)速度，tu和td之間的差為：式中X是兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。為了簡化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即：上式可簡化為：也就是流體的流速為： 由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。流量Q可以表示為： 如果已經(jīng)知道了L、c、D 和 ，只要能夠測得順流和逆流傳播時(shí)間差 （ t ）就可以求出速度V，進(jìn)而得到瞬時(shí)流量。2.2 工作過程單片機(jī)發(fā)出測量命令后產(chǎn)生一定的波形，先對計(jì)數(shù)器清零，接著同步啟動(dòng)發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器開始對高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，在接收端收到脈沖信號(hào)后，一部分返回發(fā)射端代替同步信號(hào)觸發(fā)發(fā)

4、射電路再次發(fā)射超聲波，另一部分進(jìn)貼分頻電路進(jìn)行分頻，如此反復(fù)形成順流發(fā)射的多脈沖循環(huán)。當(dāng)完成所定的多脈沖個(gè)數(shù)后，分頻器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，關(guān)斷高頻方波，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這個(gè)過程可以得到順流傳播的傳播時(shí)間，用同樣的方法可以得到逆流方向傳播時(shí)間，并通過并行口送到單片機(jī)上。單片機(jī)收到順逆流的傳播時(shí)間計(jì)數(shù)值后，采用數(shù)字濾波器對時(shí)間信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出相應(yīng)的流速和流量，保存到存儲(chǔ)器中，并送到數(shù)碼管LED上顯示出來。系統(tǒng)框圖如下：3.單元電路的設(shè)計(jì)3.1 超聲波換能器超聲的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)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(jì)中的重要組成部分。通常

5、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(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件和裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能。3.1.1 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路的主要目的是驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動(dòng)，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(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)測量的目的。驅(qū)動(dòng)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(jī)或振動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中采用的是由單片機(jī)發(fā)出的方波，單片機(jī)P3.7輸出方波信號(hào)

6、一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極。另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)。用以提高驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)間，下圖為超聲波發(fā)射部分電路圖。 圖2 超聲波發(fā)射電路3.1.2 超聲波接收電路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(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于

7、經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，經(jīng)過CX20106A處理后產(chǎn)生負(fù)跳變，引起單片機(jī)的外部中斷，下圖為超聲波接收部分電路圖。 圖3 超聲波接收電路3.1.3 換能器的安裝考慮流體的種類、濁度、溫度和流向, 在計(jì)算中作為參數(shù)進(jìn)行初始化。管道的襯里、內(nèi)外徑和直管段長度作為初始參數(shù)輸入測量主機(jī)采用雙CPU 并行工作, 串行數(shù)據(jù)接口, 可完成信號(hào)控制手動(dòng)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(jié)構(gòu)，如圖4所示，V型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴(kuò)大聲程，是現(xiàn)在國際流行的兩個(gè)換能器安裝在同一側(cè)的設(shè)計(jì)。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

8、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(cè)，讓超聲波在管壁對側(cè)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。 圖4 換能器的安裝3.2 方向切換電路通過555繼電器切換傳感器方向，進(jìn)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(dú)的繼電器分別對發(fā)射和接收換能器進(jìn)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(hào)對接收的影響，下圖為方向切換電路部分電路圖。 圖5 方向切換電路3.3 D/A電壓調(diào)節(jié)3.3.1組成： 超聲波信號(hào)處理包括放大電路

9、、濾波電路、二值化電路。放大器采用高頻、可電壓調(diào)整增益運(yùn)算放大器AD603，如圖6所示。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(hào)經(jīng)過濾波，進(jìn)入二值化電路，產(chǎn)生回波脈沖信號(hào)，送入單片機(jī)中，進(jìn)行時(shí)間測量的控制。3.3.2 作用：(a) 調(diào)節(jié)高壓，產(chǎn)生激勵(lì)電壓調(diào)節(jié)范圍，用來形成發(fā)射電路所需發(fā)射功率。(b) 調(diào)節(jié)放大電路增益，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益控制。(c) 調(diào)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(hào)相比較。 圖6 可編程增益放大器 圖7 低通濾波器 圖8 二值化電路3.4 對微小時(shí)間的測量為了達(dá)到較高的分

10、辨率和較短的采樣時(shí)間的目的，通過單脈沖所需的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。該接口電路采用的是8052單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對周期信號(hào)的測量。采用8052內(nèi)部兩個(gè)16位寄存器（定時(shí)器0和定時(shí)器1），定時(shí)器1為計(jì)內(nèi)部機(jī)器周期，定時(shí)器0為計(jì)通過的脈沖數(shù)。通過圖9電路可以保證單位計(jì)數(shù)脈沖的完整性。(1)通過P1.6，P1.7把RS觸發(fā)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(shí)內(nèi)部定時(shí)器的INT1=1，定時(shí)器1開始計(jì)內(nèi)部機(jī)器周期數(shù)，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器0開始輸入脈沖數(shù)（T0發(fā)生由1到0的跳變，計(jì)數(shù)器加1）；（3）當(dāng)輸入脈沖計(jì)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

11、輸出Q由1變?yōu)?，這時(shí)定時(shí)器1停止計(jì)內(nèi)部機(jī)器數(shù)，定時(shí)器0也停止計(jì)外部脈沖數(shù)，這樣不僅僅保證計(jì)數(shù)脈沖完整，而且也是計(jì)的單位完整脈沖期間的機(jī)器周期。 圖9 微小時(shí)間的測量電路3.5 顯示器采用LED顯示超聲波測流量系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進(jìn)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(dǎo)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(gè)發(fā)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示方式，以實(shí)時(shí)顯示液位變化。在此選用的是共陰極接法。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)LED的方法，通過軟件的編譯來實(shí)現(xiàn)由二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)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(jìn)行放大，解決了這個(gè)問題，下圖為顯示部分電路。 圖10 顯示器電路3.6 整體原理電路圖原理圖如圖10所示。 圖11 工作原理圖4.小結(jié) 通過本次課程設(shè)計(jì)，我了解了超聲波的一些基礎(chǔ)知識(shí)，時(shí)差法測流量的