基于超聲波的水流量設(shè)計(jì))

1、 目前，我國(guó)家庭用水的計(jì)量多采用機(jī)械旋翼式水表，這種水表存在精度低等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波技術(shù)的適合家用的水流量計(jì)，具有精度高、操作簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)的主要工作有兩個(gè)方面：一是硬件設(shè)計(jì)，二是軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP2用于時(shí)間測(cè)量，以及控制發(fā)射脈沖，以超低功耗的MSP430F427單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，用于控制及計(jì)算處理。結(jié)合超聲流量計(jì)閥值比較模型和超聲波信號(hào)過(guò)零點(diǎn)不受其電壓幅度變化影響的優(yōu)點(diǎn)，提出了過(guò)零閥值比較模型，閥值比較模型可以有效去除接收換能器接收到超聲波信號(hào)之前的干擾信號(hào)，而超聲波過(guò)零點(diǎn)不隨其電壓幅度變化而變化，結(jié)合兩者

2、的優(yōu)點(diǎn)可以有效抑制靜態(tài)時(shí)間差變化很大的范圍。同時(shí)設(shè)計(jì)了脈沖計(jì)數(shù)電路，消除了部分干擾。采用GP2通過(guò)芯片，與傳統(tǒng)的高速計(jì)數(shù)器相比，具有極高的精度，并可以在1MHz的頻率下完成電路，避免了高頻電路的干擾等復(fù)雜問(wèn)題，有效提高流量計(jì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，為提高時(shí)間測(cè)量精度，消除干擾，設(shè)置了有效時(shí)間區(qū)間，無(wú)效時(shí)間，減少了干擾的影響。為降低功耗，間斷性關(guān)斷放大器電源，節(jié)省了電池電量，延長(zhǎng)了更換電池的周期。關(guān)鍵詞：超聲波 時(shí)差式超聲波流量計(jì) 低功耗 精度目 錄一 、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求32.1設(shè)計(jì)任務(wù)32.2設(shè)計(jì)要求4三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析43.1設(shè)計(jì)方法43.2設(shè)計(jì)步驟53.3設(shè)計(jì)原理分

3、析8四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)11五、參考文獻(xiàn)127傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的我國(guó)水資源總量豐富，但人均水資源占有量?jī)H相當(dāng)于世界人均水資源占有量的1/4，位列世界第121位，是聯(lián)合國(guó)認(rèn)定的“水資源緊缺”國(guó)家。在全國(guó)600多個(gè)城市中，有400多個(gè)城市存在供水不足的問(wèn)題，其中缺水比較嚴(yán)重的城市有110個(gè)，全國(guó)城市缺水年總量達(dá)60億立方米。 不僅如此，水資源在全國(guó)范圍的分布嚴(yán)重不均。占全國(guó)面積三分之一的長(zhǎng)江以南地區(qū)擁有全國(guó)五分之四的水量，而面積廣大的北方地區(qū)只擁有不足五分之一的水量，其中西北內(nèi)陸的水資源量?jī)H占全國(guó)的4.6。我國(guó)多年平均降水量約6萬(wàn)億立方米，其中54即3.2萬(wàn)億立方米左右通過(guò)

4、土壤蒸發(fā)和植物散布又回到大氣中，余下的約有2.8萬(wàn)億立方米絕大部分形成了地面徑流和極少數(shù)滲入地下。這就是我國(guó)擁有的淡水資源總量，這一總量低于巴西、俄羅斯、加拿大、美國(guó)和印度尼西亞，居世界第六位。但因人口基數(shù)大，人均擁有水資源量是很少的，僅為 2200 立方米，占世界人均占有量的四分之一。專家預(yù)測(cè)，我國(guó)人口在2030年將進(jìn)入高峰時(shí)期，屆時(shí)人均水資源量大約只有1750立方米，中國(guó)將成為嚴(yán)重缺水的國(guó)家。 從20世紀(jì)70年代以來(lái)就開(kāi)始鬧水荒，這不是危言聳聽(tīng)，而是客觀存在的事實(shí)。80年代以來(lái)，中國(guó)的水荒由局部逐漸蔓延至全國(guó)，情勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)已經(jīng)帶來(lái)了嚴(yán)重影響

5、。 目前，世界 80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)約16億人口面臨淡水資源供應(yīng)不足；25多個(gè)國(guó)家近 3 億的人口生活在嚴(yán)重缺水狀態(tài)。預(yù)計(jì)到 2030 年，全球近 40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，約 35 億人口生活在嚴(yán)重缺水狀態(tài)。水資源越來(lái)越珍貴，水的價(jià)格也越來(lái)越高，對(duì)水量的計(jì)量精度要求也越來(lái)越高。面對(duì)這種嚴(yán)峻的現(xiàn)狀，各國(guó)政府都采用相應(yīng)的制度措施，來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，例如采用民用水電的階梯收費(fèi)，那么就需要高精度的儀表對(duì)流量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，在這種背景下，超聲流量計(jì)以自身測(cè)量方式簡(jiǎn)單、計(jì)量精度高、無(wú)接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生。超聲流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)

6、與流體的非接觸式的計(jì)量，無(wú)阻流件，無(wú)壓力損失，精度高，功耗低，可實(shí)現(xiàn)多種流體的(氣體、液體以及含少量雜質(zhì)的流體等)測(cè)量，而且具有受干擾較小的優(yōu)點(diǎn)，但是目前超聲流量計(jì)的市場(chǎng)價(jià)格還比較高，超聲流量計(jì)的推廣受到很大限制。超聲波流量計(jì)不僅適用于對(duì)生活用水、工業(yè)廢水及廢氣等準(zhǔn)確計(jì)量，而且也適用于粘度較大、雜質(zhì)含量較高液體的準(zhǔn)確計(jì)量。在國(guó)外，超聲流量計(jì)被廣泛應(yīng)用到居民日常生活中，由于價(jià)格問(wèn)題，我國(guó)僅在應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，而且高精度的超聲流量計(jì)主要還是靠進(jìn)口。研究一種低成本、測(cè)量精度高、低功耗的超聲流量計(jì)有著很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文對(duì)流體狀態(tài)和超聲換能器進(jìn)行了分析研究，從而為提升超聲流量計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，

7、另外本文從硬件和軟件算法的改進(jìn)來(lái)進(jìn)一步提升計(jì)量精度、降低系統(tǒng)功耗，最后采取抗干擾措施來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并提供了低成本、高精度的設(shè)計(jì)方案。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)是圍繞超聲流量計(jì)精度的提升、功耗的降低進(jìn)行展開(kāi)工作的，在精度的提升方面，首先是從超聲換能器以及流體狀態(tài)分析、流速補(bǔ)償角度來(lái)提升計(jì)量精度，其次從超聲流量計(jì)硬件系統(tǒng)角度對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)處理部分進(jìn)行改進(jìn)；在降低功耗方面，從硬件和軟件的角度出發(fā)完成整個(gè)超聲流量計(jì)系統(tǒng)功耗的降低。敘述了課題研究的背景、意義、目前的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，以及設(shè)計(jì)的來(lái)源以及內(nèi)容和安排。然后對(duì)超聲流量計(jì)做了介紹，包括超聲流量計(jì)的分類，時(shí)差法超聲流量計(jì)測(cè)量原理以

8、及流體狀態(tài)對(duì)超聲流量流速的影響，并得到經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。在超聲換能器的選擇上，先對(duì)超聲換能器做了總體的介紹，分析了換能器參數(shù)、換能器晶片的諧振特性及對(duì)超聲換能器聲、電匹配的實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。對(duì)于時(shí)差法超聲流量計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)，從系統(tǒng)角度分析超聲流量計(jì)的每個(gè)模塊的工作原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括微處理器的選擇、計(jì)時(shí)模塊、切換開(kāi)關(guān)以及驅(qū)動(dòng)電路模塊、穩(wěn)壓電路模塊、電池電量檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊等。對(duì)超聲流量計(jì)功耗的以及精度做了定量分析，所設(shè)計(jì)的超聲波水表的精度主要取決于時(shí)間差的測(cè)量，為提高時(shí)間精度在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用高精度的原件，換能器的工作頻率于1MHz，在此頻率時(shí)，分立原件很難有較高的精度，故采用TDC-GP2測(cè)

9、時(shí)芯片，單次測(cè)量的誤差在50ps，為水表的精度提供了保障，軟件方面，為排除干擾設(shè)置閾值檢測(cè)的有限時(shí)間和無(wú)效時(shí)間。功耗方面選用低功耗的芯片，并用軟件在相應(yīng)時(shí)間關(guān)斷放大器等器件，保證水表在B級(jí)精度范圍內(nèi)。此外，要了解超聲波的產(chǎn)生與傳播及其原理，包括什么是超聲波和超聲波的傳播特點(diǎn)，然后講述了超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)與原理及其應(yīng)用，包括壓電效應(yīng)，超聲波直式換能器，超聲波檢測(cè)原理等。2.2設(shè)計(jì)要求（1）選擇用超聲波傳感器測(cè)水流量的方法，即超聲波流量計(jì)。（2）知道超聲波流量計(jì)的分類及應(yīng)用特點(diǎn)。（3）要求超聲流量計(jì)精度要高、功耗要低，在精度的提升方面，首先是從超聲換能器以及流體狀態(tài)分析、流速補(bǔ)償角度來(lái)提升計(jì)量精度

10、，其次從超聲流量計(jì)硬件系統(tǒng)角度對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)處理部分進(jìn)行改進(jìn)以降低功耗。（4）本設(shè)計(jì)采用時(shí)差法超聲波流量計(jì)，掌握其原理，測(cè)量及應(yīng)用特點(diǎn)。三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1設(shè)計(jì)方法3.1.1流量的基本概念流體在單位時(shí)間流過(guò)管道或設(shè)備的某處截面的數(shù)量稱為流量。流過(guò)的數(shù)量按體積計(jì)算的稱為體積流量，(或容積流量)用符號(hào)Q表示;按質(zhì)量計(jì)算的稱為質(zhì)量流量，用符號(hào)G表示。 設(shè)流體通過(guò)管道或設(shè)備某處橫截面積中的某以微小面積為dF，并將通過(guò)該微小面積的流量取為v，則通過(guò)微小面積dF的體積流量dQ為 =      dQ=vdf  &#

11、160;     (2.1)根據(jù)式(2.l)，可求出流過(guò)橫截面的體積流量            (2.2)  如果所截面上的各點(diǎn)流速相同，則從式(2.2)可知體積流量       Q=vF            (2.3) 事實(shí)上界面上的各點(diǎn)速度并不相等，因此引入平均流速的概念&

12、#160; v=Q/f            (2.4)質(zhì)量流量G可用體積流量Q和流體的密度戶之積來(lái)表示  G=QP            （2.5）某段時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流體的總量稱為累積流量，等于在該時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)間積分。與累積流量相對(duì)應(yīng)的流量稱為瞬時(shí)流量。3.1.2超聲波流量計(jì)的基本概念超聲波流量檢測(cè)是超聲應(yīng)用的一種，主要是聲速測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)就

13、會(huì)載上流體流速的信息，超聲波在運(yùn)動(dòng)的流體中傳播與在靜態(tài)流體中比較時(shí)，相對(duì)于管道壁(視為固定坐標(biāo)系)，波束的某些物理特性會(huì)發(fā)生變化，在靜態(tài)的基礎(chǔ)上又增加了流體流速的信息，因此通過(guò)接收到的超聲波信號(hào)就可以檢測(cè)出流體的流速，進(jìn)而換算成流量。3.2設(shè)計(jì)步驟3.2.1 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。通常所說(shuō)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

14、能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能。3.2.2 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(cè)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(lái)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)一路經(jīng)一級(jí)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(jí)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

15、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1 超聲波發(fā)射電路3.2.3 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(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無(wú)法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，經(jīng)過(guò)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2 超聲波接收電路3.2.4 換能器的安裝換能器的安裝選擇V型結(jié)構(gòu)，如圖4所

16、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)在現(xiàn)在國(guó)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能器參數(shù)不對(duì)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(duì)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(duì)測(cè)量的干擾。 圖3 換能器的安裝3.3設(shè)計(jì)原理分析當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，液體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速，而時(shí)差法超聲流量計(jì)工作原理如圖 4 所

17、示， 為流速方向和超聲波傳播方向的夾角，當(dāng)  為銳角時(shí)，稱之為順流；當(dāng)  為鈍角時(shí)，稱之為逆流。超聲波信號(hào)在動(dòng)態(tài)介質(zhì)(流體)中，與靜態(tài)介質(zhì)(流速為零)相比，順流時(shí)信號(hào)傳播速度增加，傳播時(shí)間減小，同樣逆流時(shí)超聲波信號(hào)傳播速度減小，傳播時(shí)間增加，從而順逆流方向超聲波信號(hào)傳播時(shí)間存在一個(gè)差值(即時(shí)差)。時(shí)差法超聲流量計(jì)就是根據(jù)介質(zhì)的流速與時(shí)差存在一定的線性關(guān)系原理進(jìn)行測(cè)量的，只要準(zhǔn)確測(cè)定順逆流時(shí)間，計(jì)算出時(shí)間差，再根據(jù)流速與其線性關(guān)系，可以求出瞬時(shí)流速，進(jìn)而可以求出瞬時(shí)流量以及累積流量。圖3.1中，S1、S2 分別為兩個(gè)超聲波換能器，V&#

18、160;為液體流速，D 為管道直徑， 超聲波進(jìn)入液體的入射角。t1 為換能器 S1 發(fā)射、S2 接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間，即順流時(shí)間；t2 為換能器 S2，S1接受時(shí)，超聲波在管道中的傳播時(shí)間，即逆流時(shí)間。圖4時(shí)差法超聲流量計(jì)原理超聲流量計(jì)順流時(shí)間 t1 和逆流時(shí)間 t2 分別用下式計(jì)算，即 （3.3.1） （3.3.2）其中 C 為超聲波信號(hào)在水中的聲速， 為信號(hào)在換能器及硬件電路中的時(shí)間延遲。設(shè) T 為順逆流時(shí)間差，則 （3.3.3）因常見(jiàn)液體中聲速要大于1000m/s,而液體流速小于10m/s,即C 2 >> V2,所以(3.3.3)式可以簡(jiǎn)化為 （3.3.4） （3.3.5）通過(guò)(3.3.5)式可求出瞬時(shí)流量， （3.3.6 ）式(3.3.6)中，K 為流速分布修正系數(shù)，S 為管道截面積，D 為管道直徑。由于在管道橫截面上流體速度軸向分量的分布模式稱為速度分布，它是通過(guò)多很直線之末端的一根曲線(或曲面)。這些直線沿著直徑(或橫截面)各個(gè)點(diǎn)上畫出來(lái)的，它們平行十管道軸線并且在長(zhǎng)度上比例于各點(diǎn)的軸向速度。如圖 5圖5 (a) 理想流體流速分布 (b) 實(shí)際流體流速分布根據(jù)管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)不同，管內(nèi)流體的流速分布主要有兩種模型，分別為層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)。在層流狀