超聲波流量計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

超聲波流量計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)樊偉佳（陜西理工學(xué)院電信工程系電子信息工程專(zhuān)業(yè),2012級(jí)1班，陜西漢中723004）指導(dǎo)教師：秦偉[摘要]超聲波流量計(jì)是利用超聲波在流體中的傳播特性來(lái)測(cè)量流量的計(jì)量?jī)x表，并且以其非接觸式的測(cè)量、高精度等特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、水資源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)利用時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理，針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問(wèn)題，利用改進(jìn)型算法避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇了一些基本電路設(shè)計(jì)了以下電路：超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，LED顯示電路，主從單片機(jī)電路，電源電路以及存儲(chǔ)電路等，成功實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)流量的測(cè)量與輔助功能的實(shí)現(xiàn)，總的來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)具有精度高、測(cè)量范圍大、安裝方便、測(cè)試操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。另外，本次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)適用于管道和明渠流量測(cè)量,適合測(cè)量的流體：水或其它雜質(zhì)較少的液體,管徑或明渠寬度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。[關(guān)鍵詞]超聲波流量計(jì)；單片機(jī)；時(shí)差法；TheDesignofUltrasonicFlowMeterSystemFanWeijia(Grade04,Class1,Majorelectronicsandinformationengineering，ElectronicsandinformationengineeringDept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723000，Shaanxi)Tutor:QinWei[Abstract]:Ultrasonicflowmeteristheuseofultrasonicwavepropagationcharacteristicsinthefluidtomeasuretheflowratemeasuringinstruments,anditsnon-contactmeasurement,highaccuracyandothercharacteristicsinindustrialproduction,medicine,waterandotherfieldshaveawiderangeofapplications.Thisdesignusestheprincipleoftransit-timeultrasonicflowmeter,ultrasonicflowmeterformeasurementaccuracyeasilyaffectedbytemperatureproblemsusingtheimprovedalgorithmtoavoidtheeffectoftemperatureonthemeasurementaccuracy.Designsystemselectedsomebasiccircuitdesignofthefollowingcircuits:ultrasonictransmittercircuitultrasonicreceivercircuit,LEDdisplaycircuit,master-slavemicrocontrollercircuit,powercircuitandamemorycircuit,successfullyrealizeditsmeasurementandaccessibilityofinstantaneousflow,Overall,thisdesignultrasonicflowmeterhashighaccuracy,widemeasuringrange,easyinstallation,simpletestoperation.Inaddition,thisultrasonicflowmeterdesignsuitableforpipesandopenchannelflowmeasurement,suitableformeasuringfluid:waterorotherimpurities,lessliquid,openchanneldiameterorwidth:0.3~20m,flowrate:0.1~12m/s.[Keywords]:Ultrasonicflowmeter;singlechipmicrocomputer;timedifferencemethod;目錄TOC\o"1-3"\h\z\u1引言1.1選題的目的及研究意義由于目前國(guó)內(nèi)還有大部分的液體流量計(jì)是用傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量法，但是接觸式流量流速測(cè)量具有十分明顯及普遍的缺點(diǎn)：受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響十分大，并且難以檢測(cè)到強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)流量的測(cè)量，目前的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問(wèn)題，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)接觸式流量計(jì)會(huì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造和運(yùn)輸上的十分困難，關(guān)鍵是造價(jià)的提高、使用能量損耗加大、安裝維護(hù)困難等等因素使得廠家們與顧客急于尋找一種新的流量測(cè)量方法來(lái)減少種種環(huán)境或材料等因素對(duì)測(cè)量的影響。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)對(duì)超聲波在水中的傳播特性、超聲波傳感器工作機(jī)理分析設(shè)計(jì)一種基于超聲波測(cè)量原理測(cè)量流量的儀器，并且針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問(wèn)題，利用改進(jìn)型算法避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，使得本次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)適用于管道和明渠流量測(cè)量,測(cè)量流體：水或其它雜質(zhì)較少的液體,管徑或明渠寬度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，它既可以測(cè)量大管徑的介質(zhì)流量也可以用于不易接觸和觀察的介質(zhì)的測(cè)量。它測(cè)量液體的準(zhǔn)度很高，基本不受被測(cè)量的介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾，尤其可以解決其它儀表不能解決的介質(zhì)有非導(dǎo)電性、放射性、易燃易爆等的流量測(cè)量問(wèn)題。眾所周知，目前的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問(wèn)題，這是因?yàn)橐话愕牧髁坑?jì)跟著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造和運(yùn)輸上面的各種困難，造價(jià)高、耗能大、不好安裝，這些缺點(diǎn)，超聲波流量計(jì)都可以完全避免。是因?yàn)楦鞣N的超聲波流量計(jì)都可以在管道外安裝、不用接觸被測(cè)物即可測(cè)流，儀表的造價(jià)與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)，而其它類(lèi)型的流量計(jì)都會(huì)因?yàn)榭趶降脑黾?，造價(jià)也在提高，所以被測(cè)管道口徑越大，超聲波流量計(jì)比其它類(lèi)型流量計(jì)的功能價(jià)格比越優(yōu)越。被大家廣泛認(rèn)可。另外，超聲測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度基本不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，而且又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，所以可解決其它儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再加上合理的電路，一臺(tái)儀表可以適應(yīng)各種管徑測(cè)量和各種范圍的測(cè)量。而且超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也很強(qiáng)。因?yàn)槌暡髁坑?jì)具有上面提到的優(yōu)點(diǎn)因此它越來(lái)越被重視起來(lái)并且向商業(yè)產(chǎn)品方向發(fā)展，現(xiàn)已制成各種各樣的，比如：標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型儀表以適應(yīng)不同情況下的流量測(cè)量。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的超聲波流量計(jì)是非常必要的。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1955年，世界上第一臺(tái)超聲波流量計(jì)在美國(guó)誕生，它使用的技術(shù)就是“環(huán)鳴”時(shí)差法，用于航空燃料油流量的測(cè)量。開(kāi)啟了超聲波時(shí)代，是測(cè)量技術(shù)的一大突破。上世紀(jì)七十年中后期，集成電路的飛速發(fā)展使得高精度的時(shí)間測(cè)量成為可能，外加高性能、工作穩(wěn)定的鎖相技術(shù)（PPL）的出現(xiàn)和應(yīng)用，超聲波流量計(jì)的可靠性能有了基本保證。20世紀(jì)90年代后，新材料工藝的不斷涌現(xiàn)，智能化處理技術(shù)的發(fā)展，使超聲波流量計(jì)的應(yīng)用范圍獲得擴(kuò)展。天然氣工業(yè)的發(fā)展，更是促進(jìn)了超聲波流量計(jì)的使用和推廣。當(dāng)前全世界50多家較大的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)商都集中于歐美日等國(guó)家，其中處于領(lǐng)先水平的有沒(méi)美、荷蘭、德、加拿大等國(guó)家，這些國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)、電子技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)都處于優(yōu)勢(shì)。著名的有美國(guó)的Controlotron、Ploysonics，德國(guó)的Krohne，荷蘭的Instrormet及日本的橫河。我國(guó)在60-70年代，機(jī)械工業(yè)部上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、北大研究所相繼開(kāi)始研究。90年代初估計(jì)為8000-10000臺(tái)。94年正式出版了中國(guó)計(jì)量科學(xué)院，組織有關(guān)專(zhuān)家起草，分別經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局建設(shè)部批準(zhǔn)的“JJG”198-94速度試流量計(jì)的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG(建設(shè))0002-94超聲流量計(jì)的部門(mén)計(jì)量檢測(cè)規(guī)程。這是中國(guó)歷史上超聲波流量計(jì)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。我們國(guó)家的超聲波流量計(jì)的研究技術(shù)水平相對(duì)于來(lái)說(shuō)還比較落后，但在經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，綜合國(guó)力不斷的增強(qiáng)下，對(duì)于超聲波流量計(jì)的研究技術(shù)水平也在不斷地突破，在目前中國(guó)的節(jié)能減耗、可持續(xù)發(fā)展的體制下，我們將超聲波流量使用在重油，天然氣，水等寶貴資源的測(cè)控上。近幾年來(lái)，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展以及新型換能器材料與工藝制作的研究，還有聲道配置及流體動(dòng)力學(xué)的研究，超聲波流量計(jì)的研究技術(shù)取得了很大的成果，所以它的發(fā)展前景是很廣闊的。超聲波流量計(jì)已經(jīng)快速發(fā)展為流量測(cè)量方面的第一選擇。雖然超聲波流量計(jì)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展很久，但是其應(yīng)用范圍比較小，但是隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，國(guó)家企業(yè)的快速發(fā)展，需要用超聲波流量計(jì)測(cè)量的領(lǐng)域越來(lái)越多。超聲波流量計(jì)的發(fā)展前景在中國(guó)非?？捎^，在供水系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、電力、天然氣等眾多領(lǐng)域都需要用到超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，技術(shù)將會(huì)不斷地提升，精確度業(yè)依然會(huì)不斷精確。因此，超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)也尤為重要。超聲波流量計(jì)無(wú)論是在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都是流量計(jì)測(cè)量的理想選擇，通過(guò)多光束和數(shù)字信號(hào)處理，超聲波測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量精確度，。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的原件，因此，它幾乎不需要維修，它能夠準(zhǔn)確的測(cè)量到液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需要像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。高靈敏度可以檢測(cè)到管道中的任何漏洞，及其細(xì)微微小的漏洞也會(huì)發(fā)現(xiàn)和不放過(guò)。中國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，是科技與經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的國(guó)家，超流量計(jì)在我國(guó)有很大的發(fā)展和上升空間。中國(guó)的能源也比較匱乏，尤其是石油天然氣，將在未來(lái)石油管道運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，非常需要這種超聲波流量計(jì)測(cè)量，以防止泄露和破裂，同時(shí)也可以促進(jìn)節(jié)約能源，進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展。1.3論文研究的主要內(nèi)容本文通過(guò)充分調(diào)研并查閱大量文獻(xiàn)資料，選擇時(shí)間差法超聲波流量計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容如下：1.超聲波傳感器的技術(shù)指標(biāo)及使用方法（擬選擇使用最廣泛的壓電型超聲波傳感器，選取兩個(gè)收/發(fā)型超聲波探頭）；2.超聲波探頭的安裝方式對(duì)比選?。╖型、V型、W型），擬選擇V型安裝方法；3.時(shí)差法超聲波測(cè)流量的原理，針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問(wèn)題，采用改進(jìn)型算法將溫度影響在理論上消除；4.單片機(jī)芯片的選擇，要求低功耗、低價(jià)格、芯片的功能能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的所有要求；5.自檢報(bào)警模塊：擬采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，對(duì)流量低于或高于規(guī)定閾值進(jìn)行報(bào)警；6.數(shù)據(jù)處理模塊：要求滿(mǎn)足不低于B級(jí)精度，也可以考慮多組測(cè)量之后進(jìn)行處理，如選擇求取算術(shù)平均值作為最終測(cè)量結(jié)果；7.測(cè)量結(jié)果顯示模塊設(shè)計(jì)：擬選擇LCD12864顯示模塊；2設(shè)計(jì)方案及工作原理超聲波流量計(jì)有很多種類(lèi)，其中應(yīng)用最廣泛的是多譜勒超聲波流量計(jì)，另一種是時(shí)差法超聲波流量計(jì)。2.1方案一2.1.1多普勒超聲波流量計(jì)多普勒超聲流量計(jì)是一種利用多普勒效應(yīng)而進(jìn)行測(cè)量的流量計(jì),它是利用超聲波在流體中有氣泡或者懸浮微粒時(shí)，超聲波在傳播過(guò)程中被流體氣泡或者懸浮微粒反射從而發(fā)生頻移的多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量的，它只適合在含有雜質(zhì)微粒或氣泡的流體中進(jìn)行測(cè)量。多普勒超聲流量計(jì)可以測(cè)量的對(duì)象只有非均勻流體，比如：生活污水、工業(yè)廢水、機(jī)油、重油。適用管道材質(zhì)包括金屬、橡膠和塑料等，測(cè)速范圍可達(dá)到16m/s,使用管徑達(dá)到3米，測(cè)量精度達(dá)到B級(jí)。由于適用范圍廣，測(cè)量精度高，因此被廣泛認(rèn)可，目前國(guó)也有比很多的廠家生產(chǎn)此類(lèi)流量計(jì)。多普勒(效應(yīng))法超聲波流量計(jì)是利用在靜止(固定)點(diǎn)檢測(cè)從移動(dòng)源發(fā)射聲波而產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象。水流水流TSATSBθθD圖2-1多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)量原理如圖2-1所示，超聲探頭A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆粒或氣泡散射，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收探頭B收到頻率為fB的超聲波，其值為：（2-1）式中v一散射體運(yùn)動(dòng)速度。多普勒頻移fd：（2-2）測(cè)量對(duì)象確定后，式(2-2)右邊除v外均為常量，移行后得：（2-3）2.2方案二時(shí)差法超聲波流量計(jì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理是利用了超生波在流體中順流傳播速度和逆流傳播速度的不同會(huì)引起超聲波的傳播時(shí)間不同，根據(jù)傳播時(shí)間的差值來(lái)測(cè)量流體的速度從而計(jì)算出流體的流量。但其自身也分為兩種不同的方法：傳統(tǒng)時(shí)差法和改進(jìn)時(shí)差法。時(shí)差法超聲波流量計(jì)可以測(cè)量的流體為一些均勻流體，比如：水、海水、污水、酸堿、汽油、柴油等等。管材的適應(yīng)能力也比較強(qiáng)，鋼管、鑄鐵管、有機(jī)玻璃、PVD管材、玻璃鋼管等它都可以測(cè)量，由于測(cè)量流體的精確度高，測(cè)量流體的流量范圍大，所以在大流量測(cè)量系統(tǒng)中得到了重用。2.1.2傳統(tǒng)時(shí)差法圖2-2傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)量原理圖流體的速度為v，超聲波在靜止流體中的流速為C，管徑為D，發(fā)射角度為θ，td為超聲波在傳輸過(guò)程中的誤差時(shí)間總和，在超聲波順流傳播時(shí)，其速度為c+vsinθ，所以順流時(shí)的傳播時(shí)間：+td（2-4）在超聲波逆流傳播時(shí)，其速度為c-vsinθ，所以順流時(shí)的傳播時(shí)間：+td(2-5)順流與逆流的時(shí)間差為：(2-6)所以：(2-7)流體速度v的計(jì)算與超聲波在靜止流體中的流速C以及時(shí)間差Δt有關(guān)，時(shí)間差的檢查主要是通過(guò)設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)器完成，而超聲波在靜止流體中的流速C受溫度影響比較大，在不同的溫度下C不同，所以測(cè)量就有了很大的誤差。2.1.3改進(jìn)時(shí)差法的原理和優(yōu)點(diǎn)圖2-3改進(jìn)時(shí)差法測(cè)量原理圖順流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為：逆流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為：)此式中不含有聲速C，只要測(cè)出順、逆流傳播時(shí)間t1和t2即可，改進(jìn)時(shí)差法避免了系統(tǒng)受溫度的影響，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。2.3方案確定本設(shè)計(jì)利用時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理，針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問(wèn)題，利用改進(jìn)型算法避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。另外，本次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)適用于管道和明渠流量測(cè)量,適合測(cè)量的流體：水或其它雜質(zhì)較少的液體,管徑或明渠寬度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。總的來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)具有精度高、測(cè)量范圍大、安裝方便、測(cè)試操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。3時(shí)差法超聲波流量計(jì)的總體設(shè)計(jì)3.1超聲波換能器的結(jié)構(gòu)及原理諧振子電極板壓電晶體圖3-1諧振子電極板壓電晶體3.2超聲波換能器安裝方式簡(jiǎn)介現(xiàn)在大多數(shù)超聲波流量計(jì)的安裝方式均采用夾裝式，即將超聲波探頭夾持固定，安裝在被測(cè)管道的管壁上，對(duì)于單聲道的流量計(jì)，其僅有兩個(gè)超聲波探頭，它的安裝方法基本有4種，分為：V法、Z法、N法和W法。（NO低功耗）圖3-2V法安裝示意圖V法安裝方法的應(yīng)用次數(shù)是最多的，它有很多特點(diǎn)，比如使用簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確，可以測(cè)量的管徑范圍為20mm-3000mm左右。安裝時(shí)特別要注意將兩個(gè)超聲波探頭水平方向?qū)R，要求它的中心線與管道中心線要成水平一線。安裝示意圖如圖3-2所示。當(dāng)管道的管徑超出范圍，或者流體中有雜物、管道有污垢或管道里襯特別厚時(shí)，V法安裝就不能正常測(cè)量了，那么我們就要選擇用Z法進(jìn)行安裝了。如3-3所示，超聲波在管道中是進(jìn)行直接傳輸?shù)?，不?huì)發(fā)生折射。圖3-3Z法安裝示意圖N字安裝方法適合測(cè)量管徑小一點(diǎn)的管道，超聲波波束會(huì)在管道中進(jìn)行兩次折射，穿過(guò)流體三次，這種N字安裝方法可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。安裝示意圖可如3-4所示。圖3-4N法安裝示意圖W安裝方法的跟N型同理，都是通過(guò)延長(zhǎng)聲波傳輸距離來(lái)使測(cè)量精度變高，此種方法適合管徑小于50mm的小管徑管道測(cè)量，如圖3-5所示，這種安裝方法跟N型相比多折射了一次，多穿過(guò)流體一次。圖3-5W法安裝示意圖安裝方法，這樣不但安裝簡(jiǎn)便而且還有其他優(yōu)勢(shì)，首先可以提高系統(tǒng)的分辨率，其次可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對(duì)稱(chēng)等引起的一些附加溫度誤差，然后還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，而且此種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射而對(duì)測(cè)量產(chǎn)生3.3時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理及影響測(cè)量的主要因素3.3.1時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理超聲波流量計(jì)的基本原理是:利用超聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時(shí)存在時(shí)間差，而傳播時(shí)間的差異與被測(cè)流體的流速有關(guān)系，因此測(cè)出時(shí)間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計(jì)算出流體的流量。本課題的研究對(duì)象是時(shí)差法超聲波流量計(jì)，下面將具體介紹其測(cè)量原理。圖3-6時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖從圖6所示的時(shí)差法超聲波計(jì)的測(cè)量原理圖中可以看出，兩個(gè)超聲波換能器分別安裝在被測(cè)流體管徑的兩側(cè)，通過(guò)一定的方式可以改變超聲波在流體中的傳播方向，通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中的順、逆流的傳播時(shí)間差值就可以通過(guò)計(jì)算測(cè)出流體的流速，并且最后計(jì)算出流量值。時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)是超聲波在流體中的傳播時(shí)間差值，通過(guò)測(cè)量超聲波在順、逆流時(shí)的傳播時(shí)間差△t來(lái)獲得流體的流量，具體原理如下:設(shè)超聲波順流時(shí)的傳播時(shí)間為:（3-2）超聲波逆流時(shí)的傳播時(shí)間為：（3-3）其中D為管道直徑，v為被測(cè)流體的流速，超聲波在靜止的液體中的傳播速度為c，θ為超聲波發(fā)射角度。式(3-2)與式(3-3)相減得：超聲波順逆流的傳播時(shí)間差△t為:（3-4）由于超聲波在靜止流體中傳播的速度c遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)流體的實(shí)際流速v，即c>>v。因此可得:（3-5）則(3-4)式可以簡(jiǎn)化為:（3-6）將(3-4)中的v移到等式的左邊可以得到其計(jì)算公式:（3-7）在式(3-7)中，超聲波在靜止流體中的速度c通常取為常量，一般約為1500m/s，因此，被測(cè)流體的流速v只與參數(shù)D、超聲波發(fā)射角度θ、時(shí)間差△t有關(guān)，而D與θ視為系統(tǒng)參數(shù)，因此只要測(cè)得時(shí)間差△t便可求得流速v，進(jìn)而求得流量Q。對(duì)于圓形管道而言，流量計(jì)算公式為:其中，K為流體流速修正系數(shù)。從上面的測(cè)量原理可以看出，只要測(cè)得超聲波順逆流的傳播時(shí)間差△t就可以計(jì)算得到流量值，因此，獲得精度較高的△t值才能得到高精度流量測(cè)量值。4.時(shí)差法超聲波流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)4.1整體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖圖4-1系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)的工作過(guò)程：通過(guò)編程使單片機(jī)發(fā)出一定的方波脈沖，先對(duì)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，同時(shí)使計(jì)數(shù)電路開(kāi)始對(duì)高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，在接收端接收到脈沖信號(hào)后返回發(fā)射端觸發(fā)發(fā)射電路再次發(fā)射超聲波，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，關(guān)斷高頻方波，計(jì)數(shù)器從而停止計(jì)時(shí)工作。在這個(gè)過(guò)程中可以得到順流傳播的傳播時(shí)間，測(cè)量逆流方向傳播的時(shí)間同理，然后通過(guò)并行口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上。單片機(jī)在接收到順、逆流的傳播時(shí)間數(shù)值后，將會(huì)采用濾波技術(shù)對(duì)這些時(shí)間信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，并且計(jì)算出相應(yīng)的流速和流量，然后保存到存儲(chǔ)器中，4.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)，以控制超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。本部分電路采用單脈沖發(fā)射電路，由脈沖發(fā)生、放大電路構(gòu)成，單片機(jī)發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大和變壓器升壓后，達(dá)到足夠的功率后驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。具體電路圖如下：圖4-2超聲波發(fā)射電路4.3超聲波接收電路設(shè)計(jì)超聲波換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)后，會(huì)經(jīng)過(guò)管壁和待測(cè)流體傳播到接收換能器，中間有雜質(zhì)和氣泡，信號(hào)不穩(wěn)定且強(qiáng)度不斷減少，所以需要對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理。設(shè)計(jì)中，采用二級(jí)放大和帶通濾波。第一級(jí)放大電路采用低噪聲高速放大器MAX410：一級(jí)放大電路圖如下：圖4-3超聲波接收電路接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)電阻從,MAX410的2、3腳輸入，放大后的信號(hào)由MAX410的6腳輸出，輸出的信號(hào)一路送到帶通濾波器進(jìn)行濾波處理，另一路反饋到ICICD4046用來(lái)完成鎖相，以保持相位。超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后，用MAX275帶通濾波器濾波之后送到二級(jí)放大電路，進(jìn)行第二次放大。帶通濾波電路設(shè)計(jì)如下圖：圖4-4帶通濾波電路超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大之后和帶通濾波器之后，信號(hào)還比較小，采用具有較高的增益寬帶積INA128放大器，進(jìn)行二級(jí)放大，放大的超聲波信號(hào)送到計(jì)數(shù)電路。二級(jí)放大電路圖如下：圖4-5二級(jí)放大電路4.4超聲波順逆流發(fā)射和接收控制電路設(shè)計(jì)電路圖如下：圖4-6超聲波順逆流發(fā)射和接收控制電路超聲波換能器發(fā)射接收的方向由三個(gè)雙刀雙置的繼電器開(kāi)關(guān)K1/K2/K3控制，繼電器K1為總開(kāi)關(guān)，如果K1導(dǎo)通，通過(guò)K2和K3的導(dǎo)通和關(guān)閉情況來(lái)控制換能器T1和T2哪個(gè)為發(fā)射，哪個(gè)為接收。三個(gè)繼電器的狀態(tài)分別由單片機(jī)的三個(gè)位口線來(lái)控制。4.5計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)晶振頻率取為12MHz,通過(guò)P1.5、P1.6和P1.7控制固體繼電器的通斷,進(jìn)而控制超聲波順流發(fā)射或逆流發(fā)射,而P1.0則對(duì)各計(jì)數(shù)器清零,P1.2發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。分頻計(jì)數(shù)器4040滿(mǎn),將在INT1端產(chǎn)生一個(gè)下降沿,向單片機(jī)申請(qǐng)外部中斷。單片機(jī)通過(guò)P2.0和P2.1分別使能兩片74LS245,從P0口讀入其中的計(jì)數(shù)值。由于超聲波發(fā)射和接收的次數(shù)N可以通過(guò)編程來(lái)控制，N值不會(huì)太大，故計(jì)數(shù)電路選用4片74S196芯片串接就可滿(mǎn)足需要。計(jì)數(shù)部分的電路圖如下所示：超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路從單片機(jī)超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路從單片機(jī)圖4-7計(jì)數(shù)電路4.6LCD12864顯示電路設(shè)計(jì)其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和顯示的特性如下：電源：VDD3.3V—+5V；顯示內(nèi)容：128列*64行顯示顏色：黃綠；顯示角度：6：00鐘直視；LCD類(lèi)型：STN；與MCU接口：8位或4位并行/3位串行；配置LED背光多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、自定義字符、睡眠模式等LCD12864顯示電路設(shè)計(jì)如下圖：圖4-8LCD12864顯示電路4.7參數(shù)輸入電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是人機(jī)對(duì)話(huà)的重要組成部分，本設(shè)計(jì)中使用了10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵：選擇修改管道直徑、選擇修改夾角、增一鍵、減一鍵、確認(rèn)開(kāi)始鍵和修改鍵。鍵位設(shè)計(jì)圖和矩陣式鍵盤(pán)的電路圖分別如下：圖4-9鍵位設(shè)計(jì)圖圖4-10矩陣式鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)圖4.8主從單片機(jī)之間的電路設(shè)計(jì)4.8.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對(duì)單片機(jī)的選擇更是異常重要。如果選擇了一個(gè)合適的單片機(jī)不僅可以最大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更方便。目前，市面上的單片機(jī)的種類(lèi)繁多，并且他們?cè)诠δ芊矫嬉彩歉髯杂懈髯缘奶攸c(diǎn)。在一般的情況下來(lái)講，在選擇單片機(jī)時(shí)要需要考慮的幾個(gè)方面有：（1）單片機(jī)最基本性能參數(shù)指標(biāo)。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲(chǔ)器的容量，I/O口的引腳數(shù)量等。（2）單片機(jī)的某些增強(qiáng)的功能。（3）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。（4）單片機(jī)的封裝形式。（5）單片機(jī)對(duì)工作的溫度范圍的要求。（6）單片機(jī)的功耗。（7）單片機(jī)在市面上的銷(xiāo)售渠道是否暢通、其價(jià)格是否便宜。（8）單片機(jī)技術(shù)的支持網(wǎng)站如何，賣(mài)家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶(hù)手冊(cè)，設(shè)計(jì)方案舉例，相關(guān)范例程序等。（9）單片機(jī)的保密性是否很好，單片機(jī)的抗干擾的性能如何等。本設(shè)計(jì)采用了主從單片機(jī)協(xié)同工作的方式。接口連接方式是主從串行通信連接方式。串行口在工作方式0下工作時(shí)，本質(zhì)上是一個(gè)移位寄存器，SBUF為移位寄存器的輸入、輸出寄存器，外部引腳RXD為數(shù)據(jù)的輸入/輸出端，外部引腳TXD用來(lái)提供數(shù)據(jù)的同步脈沖，移位脈沖為外部晶體頻率的1/12.串行口的工作方式0不支持雙工的工作方式，因此在同一時(shí)刻只能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收操作。這種工作方式導(dǎo)致速度比較慢，但是在數(shù)據(jù)傳輸不太多的情況下，串行通信是非常方便的，通信速率可達(dá)1MB/s。（1）數(shù)據(jù)發(fā)送當(dāng)向SBUF寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，串行口在下一個(gè)機(jī)器周期開(kāi)始時(shí)把數(shù)據(jù)串行發(fā)送到外部引腳RXD上，首先發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)的最低位，同時(shí)，外部引腳TXD上會(huì)給出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)頻率為單片機(jī)工作頻率的1/12,在機(jī)器周期的第6節(jié)拍起始時(shí)變高，在第3節(jié)拍到來(lái)時(shí)變低，在第6節(jié)拍的后半段進(jìn)行一次數(shù)據(jù)移位操作。當(dāng)SBUF內(nèi)的8位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，串行口將置位TI，申請(qǐng)串行口中斷，并且只有在TI被清除后才能夠進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)的發(fā)送。（2）數(shù)據(jù)接收在REN標(biāo)志位和RI標(biāo)志同時(shí)為零后的下一個(gè)機(jī)器周期，串行口將10101010寫(xiě)入接收緩沖寄存器，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)外部數(shù)據(jù)引腳TXD上的時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)后，串行口在該機(jī)器周期的第5節(jié)拍的后半段對(duì)RXD上的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集，并且將該數(shù)據(jù)送入接收緩沖寄存器。當(dāng)完成一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)接收后，置位RI并且申請(qǐng)一個(gè)串行中斷，只有在RI被清除之后才能夠進(jìn)行下一次接收。主從單片機(jī)之間的連接方式如下圖所示：圖4-11主從單片機(jī)串行通信示意圖4.9電源電路C1C110uFC20.1uFVCC圖4-13電源濾波電路4.10存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)器選用24C02C，存儲(chǔ)電路如圖4-14所示：SCKSCK6SDA5WP7A01A12A23U224C02CR38.5kR48.5kP2.5P2.6VCC5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主從單片機(jī)兩個(gè)部分，主單片機(jī)部分主要完成參數(shù)的設(shè)定，流量的計(jì)算，測(cè)量結(jié)果的顯示；從單片機(jī)部分主要完成超聲波收發(fā)電路的控制，傳播時(shí)間的測(cè)量，數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和傳輸?shù)取?.1主單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主單片機(jī)軟件部分主要包括參數(shù)處理程序、、計(jì)算子程序、鍵盤(pán)處理子程序、顯示子程序、串行通信子程序等。流量計(jì)開(kāi)啟后主單片機(jī)先執(zhí)行系統(tǒng)初始化子程序，包括初始化單片機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)、程序運(yùn)行中所需的常數(shù)等，并自動(dòng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，然后向從單片機(jī)發(fā)送命令；參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入主單片機(jī)程序的測(cè)量和參數(shù)的顯示狀態(tài)，在這一狀態(tài)中程序一直不停的掃描鍵盤(pán)，根據(jù)鍵盤(pán)輸入的命令跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序模塊。主程序程序設(shè)計(jì)流程圖如下所示：開(kāi)開(kāi)始圖5-1主程序設(shè)計(jì)流程圖5.2從單片機(jī)程序設(shè)計(jì)從單片機(jī)程序設(shè)計(jì)部分主要完成超聲波接收和發(fā)射電路的控制、測(cè)量數(shù)據(jù)的采集以及檢驗(yàn)和傳輸，軟件流程圖如下圖所示：開(kāi)開(kāi)始圖5-2從單片機(jī)主程序流程圖系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)量前，先要對(duì)自身進(jìn)行檢查，檢查系統(tǒng)各個(gè)部分是否正常工作，然后與主單片機(jī)建立通訊連接，接收主單片機(jī)傳輸來(lái)的參數(shù)，然后把參數(shù)存到存儲(chǔ)器中。在接收到主單片機(jī)發(fā)送的測(cè)量命令后，從單片機(jī)就會(huì)進(jìn)行傳播時(shí)間的測(cè)量，并且檢查傳播時(shí)間的可靠性，然后將處理的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送到主單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。主從單片機(jī)之間采用中斷通訊方式，在從單片機(jī)接到停止測(cè)量命令后立刻結(jié)束測(cè)量過(guò)程，等待主單片機(jī)向其發(fā)送新的指令。5.3主從單片機(jī)之間總體設(shè)計(jì)圖5-3主從單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖5.4INT0中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)INTINTO中斷服務(wù)子程序圖5-4INT0中斷服務(wù)子程序流程圖5.5鍵盤(pán)子程序鍵盤(pán)子程序包括三個(gè)部分：鍵盤(pán)掃描子程序、鍵盤(pán)預(yù)處理子程序、鍵值處理子程序。鍵盤(pán)掃描是對(duì)鍵盤(pán)的按鍵位置進(jìn)行判斷，并讀取相應(yīng)按鍵的鍵號(hào)，根據(jù)按鍵號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。5.5.1鍵盤(pán)掃描主程序流程圖系統(tǒng)采用了行列式鍵盤(pán)，其行列掃描程序流程圖如下圖所示：鍵盤(pán)掃描程序鍵盤(pán)掃描程序圖5-5鍵盤(pán)掃描子程序流程圖5.5.2按鍵預(yù)處理子程序流程圖：由于在按鍵過(guò)程中，可能同時(shí)按下多個(gè)鍵或者一個(gè)鍵也沒(méi)有按下，因此掃描過(guò)鍵盤(pán)后需要進(jìn)行按鍵的預(yù)處理，按鍵預(yù)處理子程序流程圖如下圖所示：按鍵預(yù)處理子程序按鍵預(yù)處理子程序圖5-6按鍵預(yù)處理子程序流程圖5.5.3鍵值處理子程序流程圖按鍵處理子程序的作用是對(duì)16個(gè)按鍵的處理，本設(shè)計(jì)中有0—9共10個(gè)數(shù)字鍵和A—F六個(gè)功能鍵：A：選擇修改管道直徑鍵；B：選擇修改夾角鍵；C：增一鍵；D：減一鍵；E：確認(rèn)開(kāi)始鍵；F：修改鍵。鍵值處理子程序流程圖如下圖所示：按鍵處理按鍵處理圖5-7鍵值處理子程序流程圖5.6超聲波換能器收發(fā)射電路控制子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)完全相同的超聲波換能器需要通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行發(fā)射接收的切換，以實(shí)現(xiàn)順逆流傳播的時(shí)差測(cè)量。其控制流程圖如下所示：換能器收發(fā)切換控制換能器收發(fā)切換控制圖5-8超聲波換能器收發(fā)控制電路控制流程圖6系統(tǒng)誤差分析作為已知條件，比如：粘度、管道的內(nèi)徑、管道的壁厚，以及管壁材質(zhì)的聲速等，通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中順、逆流的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算出流速和流量的。所以，超聲波流量計(jì)的各項(xiàng)實(shí)際測(cè)量誤差包括了很多方面，比如其本身的誤差以及被測(cè)流體，被測(cè)管道等。而我們此次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)需要實(shí)現(xiàn)B級(jí)測(cè)量精度，所以我們必須對(duì)各項(xiàng)誤差做全面的分析和研究，然后正確的分析和計(jì)算之后最大可能的減少并避免各項(xiàng)可能產(chǎn)生的誤差。6.1數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)查閱各種文獻(xiàn)資料得知，我們?cè)趯?shí)際測(cè)量時(shí)測(cè)量的是傳輸線上線平均流速，所以為了獲得