智能化超聲波水流量計硬件設(shè)計與制作

1、智能化超聲波水流量計硬件設(shè)計與制作首先說明了時差法超聲波流量計的工作原理、超聲波傳感器的特性、超聲波信號檢測及測量控制原理，分析了流量計誤差來源和測量精度。簡述了超聲波流量計的總體設(shè)計和特點，并分析了課題的難點問題。接著重點介紹了流量計主機和流量變送器的研制，流量計主機主要有控制顯示和鍵盤工作、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置存儲、計算流量和累計流量、對流速和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性檢驗、控制輸入輸出功熊幫出錯告警功能等，主枧設(shè)計的特點主要是采用并行處理器件提高硬件的訪問速度、圖形點陣lcd顯示和多鍵盤使操作更簡便、大容量閃速存儲器可以存儲參數(shù)和數(shù)據(jù)、高精度實時時鐘作為系統(tǒng)時鐘及雙串口以提高通訊速度。流量變送器的主要功

2、能有傳感器驅(qū)動、信號檢測、自動增益控制、測量傳播時間和聲路切換等功能，在其研制中為了提高測量精度和可靠性著重解決了以下幾個問題：(1)采用高速高可靠性cpld器件，利用獨特的邏輯分析方法使計時精度達(dá)到10納秒以下。(2)在檢測控制電路中用cpld代替分立器件，采用信號過+o2伏作為有效信號，同時增加信號有效性判斷，提高測量的可靠性。(3)采用自動增益控制，即信號的峰值電壓經(jīng)ad變?yōu)閿?shù)字信號送給單片機，再通過da和電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)增益控制電壓，實現(xiàn)測量信號的自動增益控制。(4)傳感器驅(qū)動電路采用高耐壓、高速度的場效應(yīng)晶體管，同時增強門極驅(qū)動，保證傳感器的發(fā)射功率。(5)將流量變送器電源進(jìn)行分離，

3、給單片機和邏輯控制部分單獨使用一組電源，并使傳感器的發(fā)射和接收電路完全隔離，降低電源及發(fā)射電路的干擾。實驗測量結(jié)果表明，經(jīng)過改進(jìn)的超聲波流量計工作穩(wěn)定可靠、使用方便，傳播時間的測量誤差不超過10納秒。通過對測量誤差的分析和測量精度的計算，說明本超聲波流量計達(dá)到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞： 超聲波流量計 時差法 自動增益控制 信號檢測 傳播時間一 超聲波流量計原理超聲波一般是指頻率高于20khz的聲波，一般來說，人耳是聽不見的。在自然界中，超聲波是普遍存在的，而且得到了廣泛應(yīng)用。如超聲清洗、超聲焊接、超聲探傷、超聲診斷、超聲測距等，這里是利用超聲波來測量液位和流速，進(jìn)而計算出流量。1.1 時差法超聲波流

4、量計測量原理超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關(guān)，據(jù)此可以實現(xiàn)流量測量。這種方法也不會造成壓力損失，并且用于大管徑、非導(dǎo)電性、抗腐蝕性的液體或氣體流量的測量。超聲波的發(fā)射和接收都要用換能器(傳感器)，通常把發(fā)射和接收傳感器做成完全相同的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，可以互換使用或進(jìn)行雙向收發(fā)。超聲波流量計實現(xiàn)的典型方法有時差法和多普勒法，本課題選擇時差法來測量。1.1.1 單聲路測量原理在管道的兩側(cè)或明渠的兩邊斜向安裝兩個傳感器，使其軸線重合在一條斜線上，如圖21所示啪3。當(dāng)傳感器a發(fā)射，b接收時，聲波基本上順流傳播，速度快，時間短，可寫為 （1.1）b發(fā)射而a接收時，逆流傳播，速度慢，時間長，可寫為 （

5、1.2）以上兩式中的上為兩傳感器間的傳播距離(單位是m)，c為超聲波在靜止流體中的傳播速度(單位是ms)，v為被測流體的平均流速(單位是ms)。兩個方向的傳播時fq差t=t1-t2，為 （1.3）因veout時，d。再次導(dǎo)通，電容c充電到e。這樣，電容c兩端電壓保持為ein。 圖 采樣保持電路工作原理圖經(jīng)采樣保持后的信號送到ad轉(zhuǎn)換器，ad轉(zhuǎn)換器選用tlcl543芯片，此芯片是cmos、10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有11個模擬輸入通道，內(nèi)部固有的采樣與保持，在整個溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。tlcl543有三個輸入端和一個三態(tài)輸出端，即片選(cs)、輸入輸出時鐘(io clock)、地址

6、輸入(a肋ress)和數(shù)據(jù)輸出(data out)，這樣就和微處理器的串行接口有一個直接的4線接口，從而可以實現(xiàn)與微處理器之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)ad轉(zhuǎn)換器得到的信號峰值電壓數(shù)值通過串行接口送到微處理器保存起來，作為下一次測量時的控制電壓參考值。在每次進(jìn)行測量之前，應(yīng)先根據(jù)上一次ad轉(zhuǎn)換器測得的電壓值(第一次可給定一個初始值)來調(diào)節(jié)第二級放大器增益控制端的電壓。這個控制電壓是由da轉(zhuǎn)換器和電壓調(diào)整電路構(gòu)成的，增益控制端電壓產(chǎn)生電路原理圖如下所示。 圖 增益控制端電壓產(chǎn)生電路原理圖da轉(zhuǎn)換器選用帶有緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的10位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)t,c5615，dac具有基準(zhǔn)電壓兩倍的

7、輸出電壓范圍，且dac是單調(diào)變化的。器件使用簡單，用蓽5v電源工作，功耗低，具有上電復(fù)位功能以確?？芍貜?fù)啟動。器件的更新頻率可以達(dá)到12mnz，典型建立時間為125 u s，并且在溫度范圍內(nèi)保持單調(diào)性。cpu根據(jù)上一次ad轉(zhuǎn)換器測得的電壓值計算出本次測量時da轉(zhuǎn)換器應(yīng)補償?shù)碾妷褐?，通過與tlc5615的串行接口將數(shù)據(jù)傳送給da轉(zhuǎn)換器，da轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。這個電壓經(jīng)過電阻分壓后在運算放大器的同相端產(chǎn)生一個電壓，再經(jīng)過運算放大器放大輸出，這樣就得到了vca610增益控制端的電壓。從而起到調(diào)節(jié)放大電路增益的目的，實現(xiàn)信號放大的自動增益控制。3.5 電壓比較電路電壓比較器采用lm319芯

8、片，此芯片是由雙電源供電的雙比較器。在電路設(shè)計中需要對信號進(jìn)行過零點、過+02v、過-o2v的檢測，電壓比較電路原理圖如下圖所示。 圖 電壓比較電路原理圖信號輸入端接sina，分別并聯(lián)在三個電壓比較器的輸入端。第一路連接到電壓比較器(ic,4a)的反相輸入端，電壓比較器的同相輸入端接一個一02v基準(zhǔn)電壓，這個基準(zhǔn)電壓是由-5v電源經(jīng)過穩(wěn)壓二極管zd4穩(wěn)壓，穩(wěn)壓二極管的電壓可取36v或47v，再經(jīng)過固定電阻r44和可變電阻r43連接到模擬地后通過分壓處理得到的，電壓比較器的輸出端即為信號過一o2v的輸出信號d一02。第二路連接到電壓比較器(ic4b)的同相輸入端，電壓比較器的反相輸入端接一個+0

9、2v基準(zhǔn)電壓，這個基準(zhǔn)電壓是由+5v電源經(jīng)過穩(wěn)壓二極管zd5穩(wěn)壓，穩(wěn)壓二極管的電壓可取36v或47v，再經(jīng)過可變電阻r29和固定電阻r27連接到模擬地后通過分壓處理得到的，電壓比較器的輸出端即為信號過+02v的輸出信號d+o2。第三路連接到電壓比較器(ic6b)的反相輸入端，電壓比較器的同相輸入端接模擬電源地，則電壓比較器的輸出端即為信號過零點的輸出信號do。為了提高輸出信號的可靠性，使輸出信號電壓穩(wěn)定可靠并且輸出高電平達(dá)到要求，在每一個電壓比較器的輸出端分別對模擬地接一個陶瓷電容(電容大小可選取470pf)，同時分別接一個電阻到+5v電源(電阻大小可選取470q)。這三個輸出信號都送到邏輯處

10、理部分(cpld)進(jìn)行分析處理。3.6 計數(shù)器在cpld內(nèi)部設(shè)計有四個計數(shù)器，一個主計數(shù)器，兩個延時計數(shù)器和一個輔助計數(shù)器。主計數(shù)器的作用是測量傳播時間t，主計數(shù)器的計數(shù)頻率為160mhz。計數(shù)總長度為24位，其中最低l位是相當(dāng)于160mhz時鐘，即最小計時精度為625ns，最長計時時間約為105毫秒，如果以超聲波在水中的傳播速度為1450米秒計算，傳播距離最大約為150米。當(dāng)接收到有效信號后，計數(shù)器停止計數(shù)，計數(shù)器高23位當(dāng)前的狀態(tài)就是計數(shù)頻率為80miz的計數(shù)值，此時計數(shù)時鐘信號的狀態(tài)也被保持下來，將此電平信號經(jīng)過邏輯處理得到計數(shù)器的最低位。當(dāng)計數(shù)器采用上升沿觸發(fā)工作時，由于第一個時鐘的上

11、升沿到來時80ldhz計數(shù)器的值加l，此時計時可能剛剛開始，即計數(shù)器最多可能會多計一個數(shù)，因此，傳播時間應(yīng)該在上述時間的基礎(chǔ)上減去125ns。當(dāng)接收到有效信號后，cpu應(yīng)將計數(shù)器中的計數(shù)值讀出。由于傳播時間計數(shù)器為24位，cpu與cpld是通過p0口來讀數(shù)的，一次只能讀取8位數(shù)據(jù)，這樣cpu通過cpld控制每次輸出8位，分3次將計數(shù)器的值送到cpu。cpu經(jīng)過計算得到傳播時間，然后將傳播時間通過串行口送到流量計主機進(jìn)行處理。3.7 存儲器和串行口存儲器的功能是存儲由主機傳來的參數(shù)，如聲路數(shù)、各聲路的距離、傳感器的頻率等。為了接省單片機的接口資源，采用串行存儲器，可選用24c6416串行eepr

12、om存儲器，此芯片只有2根接口線，存儲容量最大為8k字節(jié)。流量變送器把測量得到的傳播時間通過串行口傳送到主機，由于一臺主機最多可以連接八臺流量變送器，流量變送器與主機的距離可能較遠(yuǎn)，因此，采用rs一485接口，選用maxl487芯片，此芯片可以通過r0和di端直接與單片機的串行口rxd和txd連接，輸出端a和b連接到傳輸線上，在兩輸出端之間并接一個120歐姆的匹配電阻。maxl487芯片還有一個re和de控制端，用于控制串行口的發(fā)送和接收，這兩個控制端接到cpld，最終由cpu控制。3.8 隔離驅(qū)動在流量變送器的驅(qū)動板上有傳感器的驅(qū)動電路和切換電路，驅(qū)動電路有80到120伏的直流電壓，因此將這部分電路與其它控制電路部分分別放在兩塊電路板上，減小測量電路的電磁干擾，同時對驅(qū)動控制信號進(jìn)行光電隔離?？刂聘綦x和驅(qū)動電路原理圖如圖59所示。光電隔離器件要求具有較快的速度，因為傳感器的頻率一般在iookhz以上，有的高達(dá)imhz，普通光電隔離器件無法達(dá)到如此高的速度，在此選用6n137芯片。此芯片屬于超高速光電耦合器件，在負(fù)載電阻為350的條件下，輸入輸出的典型傳輸延遲時間為45ns，輸入和輸出之間的隔離電壓為2500伏，并且要求輸入電流驅(qū)動也