超声波工业水表的设计.docx

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超声波工业水表的设计

1绪论

超声波流量检测技术是近年来迅速发展起来的新技术，它利用超声波在流体中传播所载的流体流速信息来测量流体流量。

与传统的涡街、电磁等流量计相比，超声波流量计具有非接触、无压损、精度高、造价低、结构简单、测量范围宽等特点。

尤其是超声波流量计体积小、造价与口径无关，它解决了工业测量中大口径测量设备制造、运输困难和造价高的突出问题，使它特别适合临时管道、大口径管道的流量测量，在工业供水系统中得到了广泛应用。

1.1流量计的发展概况

几千年前，人们为适应农业灌溉和水利建设的需要，已开始关注流量测量问题，古埃及出现了堰的雏形，我国都江堰在那时也已经知道利用宝瓶口岩壁上所刻“水则”，来观察水位，以进行控制。

18世纪以来，人们对流量测量的研究水平不断提高，各种流量测量理论和测量装置层出不穷。

1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量;后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果;1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。

20世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。

自1910年起，美国开始研制测量明渠中水流量的槽式流量计。

1922年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。

1911一1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论。

1945年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。

由于经济生产落后，直到二十世纪50年代，工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。

二十世纪60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。

此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在70年代问世。

微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。

近30年来，后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。

目前国外投入使用的流量计有100多种，随工业生产的自动化、管道化的发展，流量计在整个仪表生产中所占比重越来越大。

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表，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产，时至今日，我国已成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业。

但是我国现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计的技术水平与国际先进水平有较大的差距。

随着国内市场的国际化，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。

因此，开展高性能流量计的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表行业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要的意义。

1.2超声波流量计的发展概况

超声波流量计（Ultrasonicflo~cter）是一种向流体发射超声信号，在其受到流体流动影响之后再接收此超声信号并将检测结果用于流量测量的计量器具。

H1928年德国人研制成功了第一台超声波流量计，但此流量计仅限于研究阶段;直到1955年，一种基于声循环法的MAxsoN超声波流量计开始用于测量航空燃油l3]，超声波流量计从研究阶段进入应用阶段。

前苏联在这方面的研究是独立进行的，其第一台超声波流量计出现在1956年。

1958年A.L.H一ERDRIcH等人发明折射式探头，进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，为管外夹装提供理论依据。

20世纪70年代，由于集成电路技术的发展，超声波流量计克服了精确度低、响应慢、稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。

80年代超声波流量计出现了射束位移法，多普勒法，相关法及噪声法等。

90年代以后，随着单片机、DSP、FPG、CPLD等技术的发展，超声波流量计向高性能和智能化方向快速发展，超声波流量计开始进入工业测量领域。

近10年来，由于数字信号处理、超声换能器材料、声道配置以及流体动力学等学科研究水平的提高，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。

目前超声波流量计正在向高精度、多功能、智能化、低功耗、低成本方向发展。

国外的超声波流量计研究机构和生产厂家多在美国、欧洲和日本，他们的产品精度高、可靠性好，但价格昂贵。

目前，国外超声波流量计生产厂商主要包括美国的Daniel、Controlotron，德国的Elster、Kemel，荷兰的xnst~ent，日本的Toshiba、Fuji等公司。

我国的超声波流量计研究工作起步较晚，通过广大科技工作者的不懈努力和引进外国先进技术，国产的超声波流量计也开始批量生产并投入使用。

目前，国内从事超声波流量计的研究与制造的厂商主要有唐山的汇中、美伦、惠斯特，大连索尼卡、海峰、铭锐等公司。

1.3选题依据及研究意义

随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高的要求。

在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并为越来越多的人所认识。

特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表的种类也越来越多。

尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的发展。

超声波流量计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。

近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的首选工具[2]。

目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。

超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间（速率）会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的方法。

时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。

1.4本设计的主要工作

本文围绕堰式超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成和设计原理。

本文内容由以下5部分组成:

（1）分析了超声波工业水表的发展现状及工作原理，并说明了超声波测流量的优点。

（2）超声波工业水表的发射电路设计；

（3）超声波工业水表的接收电路设计以及显示电路设计；

（4）超声波工业水表的软件设计；

（5）总结论文完成的内容，并针对不同的场合提出了改进方案。

2方案论证与设计

2.1系统方案选定

2.1.1采用单片机来控制的超声波工业水表

采用单片机来控制的超声波工业水表是先由单片机产生一个信号，经过信

号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，记下顺流是的时间和逆流的时间，根据时间算出流速。

F原理框图如2.1所示：

图2.1采用单片机来控制的超声波测距仪

2.1.2采用CPLD来控制的超声波工业水表

采用CPLD来控制的超声波工业水表，主要是在软件上运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）编写程序使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。

使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。

充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。

又因其延时平均的特点，保证了测速结果精度高、响应速度快。

缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。

同时在FPGA中还要用硬件描述语言（VHDL语言）编写程序来实现硬件电路功能。

由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所以在软件实现起来编程也复杂。

2.1.3采用锁相环频率合成技术

采用锁相环频率合成技术，也可以实现我们所需要的超声波工业水表。

具体方案如下：

首先通过频率合成技术产生超声波所需要的频率，在通过信号线将采用锁频率相合成技术得到的频率引到超声波的发射头上，这样就可以实现超声波测距。

它的优点就是工作频率可调，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。

它的原理如图2.2所示。

fm

图2.2锁相环频率合成技术总框图

2.2系统总体原理框图

基于单片机的超声波工业水表。

用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。

由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，算出顺流和逆流的时间，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发流量管速度（s），即：

，其中，D为换能器与障碍物之间的距离，C为波声传播速度，T为超声波发射到返回的时间间距。

本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。

由键盘，LCD显示构成人机对话通道，构成由单片机最小系统来控制的超声波工业水表，其结构框图如图2.3所示。

图2.3系统构框图

3系统硬件设计

3.1超声波概述

3.1.1超声波

超声波是指振动频率高于20KHz的机械波，它可以在气体、液体、固体或固液混合体中传播。

与一般声波相比，它的振动频率高，波长短，具有束射特性，可以定向传播，具有很高的穿透能力，在流体中传播时，随着传播距离的增加，能量会逐渐衰减。

3.1.2时差法超声波流量计的基本原理

当超声波在流动的介质中传播时，相对于固定坐标系统（例如管道中的管壁）来说，

其传播速度与在静止介质中的传播时有所不同，其变化值与介质流速有关。

由于超声波脉冲在顺流和逆流中的传播速度不同，其在介质中的传播时间也不同。

时差法就是根据超声波脉冲在顺流和逆流中的时间差来计算介质流速的，其基本原理如图3.1所示

图3.1时差法原理图

图中换能器A、B为两个超声波换能器，均可以发射或接收超声波信号，采用外夹式安装在圆形管道两侧，介质流动方向如图所示，管道直径为D，超声波传播方向与介质流动方向夹角为θ，若超声波在静止介质中的传播速度为C，则超声波顺流传播时间tAB和逆流传播时间tBA分别为:

（3.1）

（3.2）

其中，D为管道直径，C为超声波在介质中的声速，V为介质流速，t为声路延时，包括超声波在管壁中的传播时间和信号在电路中的延迟时间。

由式（3.1）和式（3.2）可以得到超声波在介质中顺、逆流传播的时间差

（3.3）

通常C2>>V2cosθ,式。

。

可以简化为：

（3.4）

有式可得介质流速V：

（3.5）

3.1.2时差法超声波工业水表原理的改进

由于超声波在介质中的传播速度与温度、压力等参数有关，如果直接使用式（3.5）会给仪表校准带来很多实际困难，并且在实际测量中也不能准确地测量流体的流速和流量。

在实际应用中，通常使用改进的计算方法，去掉公式中的超声波声速，从而准确实现精确的流量测量。

具体方法如下:

首先将式（3.1）、式（3.2）修改为:

（3.6）

（3.7）

有式（3.6）（3.7）可计算流体流速V:

（3.8）

但是，通过式（3.8）计算得到的流速与实际流速殊并不一致，在实际应用中通常需要乘以一个流速修正系数K:

（3.9）

（3.10）

（3.11）

由式（3.11）可以得到流体的瞬时流量q。

本方法避免了求解声速C的困难，也避免了温度对测量结果的影响，可以得到较准确稳定的测量结果。

由于电路和声路都不可避免地带来一定的延时，所以流量计系统实际测量得到的时间都包含各种时间延迟，在实际计算时需要将其减去。

另外，得到介质流速后还可以求出介质中超声波的传输速度C:

（3.12）

由于声速与介质种类以及现场的压力、温度都有关，声速还可以诊断测量中出现的一些问题，用于仪表的自检。

3.2控制模块电路的设计

单片机最小系统电路由时钟电路，复位电路，键盘电路加显示电路构成。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52芯片的管脚、引线与功能AT89C52芯片图如图3.2所示。

3.2.1引脚信号介绍

P00～P07：

P0口8位双向口线。

P10～P17：

P1口8位双向口线。

P20～P27：

P2口8位双向口线。

P30～P37：

P3口8位双向口线。

访问程序存储器控制信号：

当

信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当

信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

ALE地址锁存控制信号：

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。

外部程序存储器读选取通信号：

在读外部ROM时

有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：

当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。

RST复位信号：

当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

VSS：

地线VCC：

+5V电源

3.2.2P3口的第二功能如表3.1所示

表3.1P3口的第二功能

口线

第二功能

替代的专用功能

P3.0

RXD

串行输入口

P3.1

TXD

串行输出口

P3.2

外部中断0

P3.3

外部中断1

P3.4

T0

定时器0的外部输入

P3.5

T1

定时器1的外部输入

P3.6

外部数据存储器写选通

P3.7

外部数据存储器读选通

3.2.3AT89C52的总线结构

AT89C52的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口部分P3外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。

这些管脚构成了三总线形式，即：

1.地址总线（AB）：

地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接地址外围为64K字节。

16位地址总线由P0经地址锁存器提供低8位地址（A0～A7）；P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。

2.数据总线（DB）：

数据总线宽度为8位，由P0口提供。

3.控制总线（CB）：

由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、

、ALE、

组成。

AT89C52结构框图如图3.3所示。

图3.3AT89C52结构框图

3.3时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。

单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚X1，其输出端为引脚X2。

而在芯片的外部，X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器,只要在单片机的X1和X2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，本次毕业设计电容采用33pf，晶振用12MHZ.时钟振荡电路如图3.4所示。

图3.4时钟振荡电路图

3.4复位电路

复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作。

通常单片机复位电路有两种：

上电复位电路，按键复位电路。

上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。

上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。

RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。

它利用的是电容充电的原理来实现的。

按键复位电路：

它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。

如果要实现复位的话，只要按下RESET键即可。

它主要是利用电阻的分压来实现的在此设计中，采用的按键复位电路。

本设计选用第二种上电复位与按键均有效的各单位电路。

按键复位电路如图3.5所示.本设计选用第二种上电复位与按键均有效的各单位电路。

图3.5按键复位电路

3.5单片机键盘电路

键盘电路是很多设计中很重要的组成部分。

它主要是输入设备。

单片机应用系统中键盘有独立式和行列式两种。

独立式键盘：

独立式键盘中，每个按键占用一根I/O口线，每个按键电路相对独立。

I/O口通过按键与地相连，I/O口有上拉电阻，无键按下时，引脚端为高电平，有键按下时，引脚电平被拉低。

I/O口内部有上拉电阻时，外部可不接上拉电阻。

行列式键盘：

行列式键盘键数比较多，从按一个键到键功能被执行主要包括两项工作：

一是键的识别，即在键盘中找出被按的是那一个键，另一项是键功能

的实现，第一项是接口电路来实现的，而第二项是通过执行中断服务程序来实现的。

具体来说，键盘借口应完成以下操作功能：

（1）键盘扫描，以判断是否有键按下。

（2）键识别，以来确定闭和键的行列位置。

（3）产生闭和键的键码。

（4）排除多键，串键以及抖动。

本次设计中采用的是独立式键盘，键盘电路图如图3.6所示.

图3.6独立式键盘图

3.6LCD显示器

LCD显示器是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向特性实现显示信息的。

液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低，显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。

液晶显示器按其功能可以分为三类：

笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。

前两种可以显示数字、字符和符号等。

而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。

字符形液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。

它是由若干个5*7或者是5*11等点阵符位组成的，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

点阵字符位之间，有一定点距间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。

要使用点阵型LCD液晶显示器，必须要有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD液晶显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储的写入的命令和显示字符的点阵。

现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。

使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以显示所需的信息。

目前市面上常用的有16字*1行、16字*2行、20字*2行和40字*2行等的字符液晶显示模块。

这些LCM虽然显示字数各个相同，但是都具有相同的输入输出界面。

3.6.1字符型液晶显示模块RT-1602C的引脚功能

RT-1602C采用标准的16脚接口，各引脚情况如下：

第1脚：

VSS，电源地；

第2脚：

VDD，+5V；

第3脚：

VL，液晶显示偏置电压；

第4脚：

RS，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

读/写选择，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS

和

共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平

为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平时

为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E，为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。

第7至14脚：

D0至D7，为8位双向数据线。

第15脚：

BLA，背光源正极

第16脚：

BLK，背光源负极

3.6.2字符型液晶显示模块RT-1602C的内部结构

液晶显示模块RT-1602C的内部结构可以分为三部分：

一、LCD控制器，二、为LCD驱动器，三、LCD显示装置。

如图3.7所示。

图3.7晶显示模块RT-1602C的内部结构图

控制器采用HD44780，驱动器采用HD44100。

HD44100是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。

HD44100是作扩展显示字符位的。

HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。

HD44780集成电路的特点：

1.可选择5*7或5*10点字符。

2.HD44780不仅可以作为控制器，而且还具有驱动16*40点阵液晶像素能力，并且HD44780的驱动能力可通过外接驱动器扩展360列驱动，HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5*80=400点，HD44780内藏有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具有驱动16*40点阵LCD的能力（即单行16个字符或两行8个字符）。

如果在外部一HD44100外扩展多40路/列驱动，则可驱动16*2LCD。

3.HD44780的显示缓冲区DDRAM、字符发生存储器（ROM）及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯处内。

HD447803有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H-27H，40H-67H，它们实际显示地址的顺序跟LCD的型号有关。

这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符教都有一个固定的代码。

如数字“1”的代码是00110001B（31H），又如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），可以看出英文字母的代码与ASCII编码相同。

要显示“1”时，只需将ASCII码31H存入DDRAM指定的位置，显示模块将在相应的位置把数字“1”的点阵字符图形显示出来，我们就能看到数字“1”了。

4.HD44780具有8位数据和4位数据传输两种方式，可与人4/8位CPU相连。

5.HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。

显示电路如图3.8:

图3.8显示电路

3.7超声波发射接收模块

超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础、应用十分广泛的通用技术之一。

目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了