微功耗超声波流量计 东北大学秦皇岛分校论文 自动化测控技术与仪器本科学位论文.docx

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微功耗超声波流量计东北大学秦皇岛分校论文自动化测控技术与仪器本科学位论文

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毕业设计（论文）

微功耗超声波流量计

院别

自动化工程系

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

5080901

学生姓名

施旺旺

指导教师

齐世清

2012年6月15日

微功耗超声波流量计

摘要

本文研究了以超声波时差法为原理的微功耗流量计，介绍了其应用范围、特点及与一般流量计相比较所具有的优势。

分析了流量计的工作原理、硬件结构、软件流程、产生误差的原因和解决办法，以及在微功耗超声波流量计设计开发过程中应注意的问题。

设计采用微功耗单片机（MSP430系列单片机），超声波专用收发侦测芯片TDC-GP2芯片，扩展相应的接口电路，实现流量的采集与处理。

采用超声波专用收发侦测芯片TDC-GP2，外接超声波发射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发，通过测量时差，得出超声波流速。

时差等信息通过SPI串行口送入单片机，由单片机计算出流速，累计计算出流量。

LCD显示器显示流速与流量。

TDC-GP2作为高精度的时间测量芯片，不但集成了时间测量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功能。

相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，显著降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。

通过硬件调试和软件仿真，本微功耗超声波流量计可行且具有实际价值。

关键词：

超声波，微功耗，流量计，声速补偿

Micro-powerultrasonicflowmeter

Abstract

Author：

ShiWangwangTutor：

QiShiqing

Inthispaper,westudyaMicro-powerflowmeterbasedontheprinciplesofultrasonicwave.Introductionofitsrangeofapplications,features,andadvantagescomparedwiththegeneralflowmeter.Analysistheflowmeterofthehardwarestructure,softwareprocessworksandthecausesoferrorsandsolutions,alsotheproblemswhichshouldpayattentiontoduringthedesignanddevelopmentprocessofflowmeter.Designusesamicro-powermicrocontrollers（MSP430MCU）UltrasonicdetectionofspecifictransceiverchipTDC-GP2,thecorrespondingexpansionoftheinterfacecircuittoachieveacquisitionandprocessingofflow.AdoptspecificdetectionofultrasonictransceiverchipTDC-GP2,externaltransmitandreceiveultrasonicprobe,toachievetransceiverofdownstreamandUpstreamultrasonic,bymeasuringthetimedifference,obtainedultrasonicvelocity.SendingthetimedifferenceandotherinformationintothemicrocontrollerthroughtheSPIserialport,themicrocontrollercalculateflowrateandthetotalflow.Power-down.LCDdisplayflowrateandtotalflow.TDC-GP2isahigh-precisiontimemeasurementchipwhichdoesnotonlyintegratesthetimemeasurementfunction,butalsoprovidefunctionsfortheapplicationofultrasonicflowmetersandheatmetersultrasonictransducerdrivingpulseandtemperaturemeasurementcapabilities.ComparedwiththeFPGAusageofdiscretecomponentsorultrasonicflowmeterprogram,theTDC-GP2programgreatlysimplifiesthehardwaredesign,significantlyreducingthepowerconsumptionofthemachine,whichhasbecomingthemostsimplecircuit,low-powerultrasonicflowmeterprogram.Afterhardware debuggingand softwaresimulation, wecanseethatthe micro-power ultrasonicflowmeterisfeasibleand practicalvalue.

KeyWords:

ultrasonicwave,Micro-power,flowmete

目录

目录III

1绪论1

1.1研究背景1

1.2国内外研究状况2

1.3课题研究方法4

1.4论文的构成及研究内容5

2流量计基本原理7

2.1超声波简介7

2.2基础量及流量计工作原理原理8

2.2.1流量测量基本量及单位8

2.2.2基本工作原理9

2.2.3时差法原理10

3系统硬件设计12

3.1硬件统的总体设计系12

3.2系统硬件电路模块设计13

3.2.1系统控制电路模块13

3.2.2时差测量电路15

3.2.3超声波收发模块21

3.2.4显示电路22

3.2.5键盘电路23

3.2.6数据存储模块24

3.3系统硬件电路图24

4系统软件设计26

4.1引言26

4.2软件开发方法27

4.2.1结构化开发方法27

4.2.2面对对象开发方法27

4.3流量计计算软件的设计28

4.4流量计控制软件的设计29

5试验及误差分析31

5.1流速测量实验31

5.1.1实验装置31

5.1.2模型简化分析31

5.2结果及误差分析32

结论35

致谢37

参考文献38

附录39

附录A39

1绪论

1.1研究背景

流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。

古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。

公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。

我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。

流量计又分为有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。

流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。

流量、压力和温度并列为三大检测参数。

对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。

能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量、压力和温度三种参数的检测仪表一样得到最广泛的应用。

流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域：

（1）工业生产过程

（2）能源计量

（3）环境保护工程

（4）交通运输

（5）生物技术

（6）科学实验

流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。

至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。

品种如此之多的原因就在于，至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。

按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。

按照目前最流行、最广泛的分类法，即分为：

容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。

按流量计机构原理分有容积式流量计、叶轮式流量计、差压式流量计、变面积式流量计、动量式流量计、冲量式流量计、LY-LDE电磁流量计、超声波流量计、质量流量计、流体振荡式流量计、转子流量计。

本课题所研究的就是以超声波为检测原理的流量计，力图设计出具有理论和实际价值的微功耗流量计。

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

相对于使用传统测量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的优点：

（1）它不会改变流体的流动状态，不对流体产生附加阻力；

（2）它可适应多种管径的流体测量，不会因管径的不同增加仪表成本；

（3）它的换能器可设计成夹装式，可作移动性测量。

（4）为无流动阻挠测量，无压力损失；

超声波流量计目前所存在的缺点主要是：

（1）可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制。

（2）高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

1.2国内外研究状况

超声波流量计是通过检测流体流动对超声波（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。

研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。

1928年法国的O．Rutten研制成功了世界上第一台超声波流量计。

之后，美国、意大利等国陆续有人研究，但都限于相位差法，进展不大。

1955年，应用声循环法的超声波流量计首先作为航空燃料用流量计获得成功，随后又出现了基于时间差法和波束偏移法的超声波流量计。

1958年，A．L．Herdrieh等人发明了折射式超声波探头，以消除由于管壁中声波的交混回响而产生的相位失真，为换能器的管道外夹安装提供了理论依据，超声多普勒流量计也在这一时期诞生。

1963年，超声波流量计开始由日本的TokyoKeiki等人引入工业应用，但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位。

20世纪70年代后，集成电路技术迅速发展，高性能锁相技术的出现与应用，使得实用的超声波流量计得以迅速发展。

到20世纪90年代初期日本、美国、西欧等地区超声波流量计的销售已占到流量仪表的。

20世纪90年代中期，超声波流量计世界范围的年销售台数约3.6万台，进入2l世纪，全球超声波流量计（不含明渠流量计）2000年的销售达到2.4亿美元，到2005年之前，超声波流量计的销售以年均的速度快速增长。

我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水