课程设计基于超声波原理的流量计设计.docx

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课程设计基于超声波原理的流量计设计

基于超声波原理的流量计设计

1.设计思路

依照题目要求设计一个主若是基于超声波时差法结合P89LPC932单片机完成整个系统的设计，其中时刻测量采纳单片机对微小时刻进行测量，流量测量值由数码管显示。

超声波流量计是由超声波换能器、电子线路及流量显示和累计系统三部份组成。

超声波时差法完成整个设计的关键问题是：

时差法的工作原理是什么；超声波换能器如何进行转换；如何进行微小时刻的测量。

2.方案设计

时差法超声波流量计的原理

时差法超声波流量计（TransitTimeUltrasonicFlowmeter）其工作原理如图1所示。

他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时刻差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方式。

超声波在流动的流体中传播时就载上的流体流速的信息。

因此通过接收到的超声波就能够够检测出流体的流速，从而换算成流量。

图1时差法超声波流量测量原理示用意

图1中有两个超声波换能器：

顺流换能器和逆流换能器，两只换能器别离安装在流体管线的双侧并相距必然距离，管线的内直径为D，超声波行走的途径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。

由于流体流动的缘故，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时刻比逆流传播所用的时刻短，其时刻差可用下式表示：

其中：

c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：

式中X是两个换能器在管线方向上的间距。

为了简化，咱们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相较是个小量。

即：

上式可简化为：

也确实是流体的流速为：

由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时刻差成正比。

流量Q能够表示为：

若是已经明白了L、c、D和θ，只要能够测得顺流和逆流传播时刻差（Δt）就能够够求出速度V，进而取得瞬时流量。

工作进程

单片机发出测量命令后产生必然的波形，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数器开始对高频方波进行计数，在接收端收到脉冲信号后，一部份返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部份进贴分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲循环。

当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。

那个进程能够取得顺流传播的传播时刻，用一样的方式能够取得逆流方向传播时刻，并通过并行口送到单片机上。

单片机收到顺逆流的传播时刻计数值后，采纳数字滤波器对时刻信号进行滤波处置，并依如实际情形计算出相应的流速和流量，保留到存储器中，并送到数码管LED上显示出来。

系统框图如下：

3.单元电路的设计

超声波换能器

超声的发射和接收，需要一种电声之间的能量转换装置，这确实是换能器。

超生换能器，也即超声传感器，是超声流量计中的重要组成部份。

通常所说的超生换能器一样是指电声换能器，它是一种既能够把电能转化为声能、又能够把声能转化为电能的器件和装置。

换能器处在发射状态时，将电能转化为机械能，再将机械能转化为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转化为机械能，再转化为电能。

3.1.1超声波发射电路

超声波发射电路的要紧目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，而且发射的超声波具有必然的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。

驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。

发射脉冲能够由单片机或振动器来实现。

本设计中采纳的是由单片机发出的方波，单片机输出方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。

另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两头，能够提精湛声波的发射强度。

输出端采纳两个反向器并联。

用以提高驱动能力。

上拉电阻R一、R2一方面能够提高反向器74HC04AN输出高电平的驱动能力。

另一方面能够增加超声波换能器的阻尼成效，缩短其自由振荡的时刻，以下图为超声波发射部份电路图。

图2超声波发射电路

3.1.2超声波接收电路

超声波接收器包括超声波接收探头、CX20206A处置两部份。

超声波探头必需采纳与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，不然将因无法产生共振而阻碍接生成效，乃至无法接收。

由于经探头变换后的正弦波电信号超级弱，通过CX20206A处置后产生负跳变，引发单片机的外部中断，以下图为超声波接收部份电路图。

图3超声波接收电路

3.1.3换能器的安装

考虑流体的种类、浊度、温度和流向,在计算中作为参数进行初始化。

管道的衬里、内外径和直管段长度作为初始参数输入测量主机采纳双CPU并行工作,串行数据接口,可完成信号操纵手动操作、循环操纵和系统自检测。

换能器的安装选择V型结构，如图4所示，V型结构既保证了波的传播方向又能够扩高声程，是此刻国际流行的两个换能器安装在同一侧的设计。

因此咱们的换能器将采纳单通道V字型安装，如此不仅能够提高系统的分辨率，单通道形式能够排除由双通道换能器参数不对称等引发的一些附加温度误差，专门是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方式还能够减少流速断面散布均匀的误差，另外这种方式也能够减少超声波在声道中反射引发的对测量的干扰。

图4换能器的安装

方向切换电路

通过555继电器切换传感器方向，进行顺逆流方向收发电路的切换，如此既降低了本钱，又排除非对称性电路误差，且发射脉冲通过通过利用单独的继电器别离对发射和接收换能器进行操纵，是换能器发射和接收电路完全隔离，排除发射信号对接收的阻碍，以下图为方向切换电路部份电路图。

图5方向切换电路

D/A电压调剂

3.3.1组成：

超声波信号处置包括放大电路、滤波电路、二值化电路。

放大器采纳高频、可电压调整增益运算放大器AD603，如图6所示。

滤波电路采纳高Q值滤波器，提高了信噪比，如图7所示。

二值化电路采纳高速比较器LM339，如图8所示。

通过放大以后的超声波回波信号通过滤波，进入二值化电路，产生回波脉冲信号，送入单片机中，进行时刻测量的操纵。

3.3.2作用：

（a）调剂高压，产生鼓励电压调剂范围，用来形成发射电路所需发射功率。

（b）调剂放大电路增益，实现信号的增益操纵。

（c）（c）调节二值化电路的参考端输入电压。

使之与放大后的回波信号相比较。

图6可编程增益放大器

图7低通滤波器

图8二值化电路

对微小时刻的测量

为了达到较高的分辨率和较短的采样时刻的目的，通过单脉冲所需的时刻来实现。

该接口电路采纳的是8052单片机实现对周期信号的测量。

采纳8052内部两个16位寄放器（按时器0和按时器1），按时器1为计内部机械周期，按时器0为计通过的脉冲数。

通过图9电路能够保证单位计数脉冲的完整性。

（1）通过，把RS触发器的输出脚置1，D触发器只有在CP的上升沿才转变，置Q为1；

（2）这时内部按时器的INT1=1，按时器1开始计内部机械周期数，同时内部按时器0开始输入脉冲数（T0发生由1到0的跳变，计数器加1）；（3）当输入脉冲计数到后，通过，置1，使RS触发器输出为0，仅在CP上升沿才使D触发器输出Q由1变成0，这时按时器1停止计内部机械数，按时器0也停止计外部脉冲数，如此不单单保证计数脉冲完整，而且也是计的单位完整脉冲期间的机械周期。

图9微小时刻的测量电路

显示器采纳LED显示

超声波测流量系统的显示要求比较简单，测量结果采纳十进制数字显示。

只需能显示0-9的数字，且显示稳固无闪烁即可。

因此显示部份采纳七段半导体数码管即LED。

依照各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。

在共阴极接法中，LED数码管的g-a七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发亮。

而在共阳极接法中，恰好与共阴极接法向反。

LED数码管具有亮度大，响应速度快等优势。

LED显示器有静态显示和动态显示两种。

本设计中采纳动态显示方式，以实时显示液位转变。

在此选用的是共阴极接法。

本设计采纳单片机直接驱动LED的方式，通过软件的编译来实现由二进制到BCD码的转化，从而简化了显示电路。

可是，在制作超声波测距系统的进程中，我发觉由单片机直接驱动LED显示，电流较小，LED尽管有显示可是比较暗，因此我用了三极管来对电流进行放大，解决了那个问题，以下图为显示部份电路。

图10显示器电路

整体原理电路图

原理图如图10所示。

图11工作原理图

4.小结

通过本次课程设计，我了解了超声波的一些基础知识，时差法测流量的大体原理。

在课程设计的实验进程中，我碰到了很多的困难，要紧集中在805252单片机的程序连接上，计时器和切换电路的设计，通过同窗和指导教师的帮忙我总算是完成了实验，由此可见我在设计上确实存在不足，以后需要进一步提高。

本次课程设计让我回忆了以前学习到的各类知识，锻炼了动手能力和团队合作能力，是对尔后走出学校步入工作职位的一次对基础的巩固，关于以后找工作是相当有帮忙的经历。