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

1、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ni 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

2、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

3、价值。关键词：超声波，微功耗，流量计，声速补偿Micro-power ultrasonic flowmeterAbstract Author：Shi Wangwang Tutor：Qi ShiqingIn this paper, we study a Micro-power flowmeter based on the principles of ultrasonic wave. Introduction of its range of applications, features, and advantages compared with the general flowmeter. Ana

4、lysis the flowmeter of the hardware structure, software process works and the causes of errors and solutions, also the problems which should pay attention to during the design and development process of flowmeter. Design uses a micro-power microcontrollers (MSP430 MCU)Ultrasonic detection of specifi

5、c transceiver chip TDC-GP2, the corresponding expansion of the interface circuit to achieve acquisition and processing of flow. Adopt specific detection of ultrasonic transceiver chip TDC-GP2, external transmit and receive ultrasonic probe, to achieve transceiver of downstream and Upstream ultrasoni

6、c, by measuring the time difference, obtained ultrasonic velocity. Sending the time difference and other information into the microcontroller through the SPI serial port, the microcontroller calculate flow rate and the total flow. Power-down.LCD display flow rate and total flow.TDC-GP2 is a high-pre

7、cision time measurement chip which does not only integrates the time measurement function, but also provide functions for the application of ultrasonic flow meters and heat meters ultrasonic transducer driving pulse and temperature measurement capabilities. Compared with the FPGA usage of discrete c

8、omponents or ultrasonic flowmeter program, the TDC-GP2 program greatly simplifies the hardware design, significantly reducing the power consumption of the machine, which has becoming the most simple circuit, low-power ultrasonic flowmeter program. After hardwaredebugging andsoftware simulation,we ca

9、n see that themicro-powerultrasonic flowmeter is feasible andpractical value.Key Words: ultrasonic wave, Micro-power, flowmete目 录目 录 III1 绪论 11.1 研究背景 11.2 国内外研究状况 21.3 课题研究方法 41.4 论文的构成及研究内容 52 流量计基本原理 72.1 超声波简介 72.2 基础量及流量计工作原理原理 82.2.1 流量测量基本量及单位 82.2.2 基本工作原理 92.2.3 时差法原理 103 系统硬件设计 123.1 硬件统的总

10、体设计系 123.2 系统硬件电路模块设计 133.2.1 系统控制电路模块 133.2.2 时差测量电路 153.2.3 超声波收发模块 213.2.4 显示电路 223.2.5 键盘电路 233.2.6 数据存储模块 243. 3 系统硬件电路图 244 系统软件设计 264.1 引言 264.2 软件开发方法 274.2.1 结构化开发方法 274.2.2 面对对象开发方法 274.3 流量计计算软件的设计 284.4 流量计控制软件的设计 295 试验及误差分析 315.1 流速测量实验 315.1.1 实验装置 315.1.2 模型简化分析 315.2 结果及误差分析 32结 论 3

11、5致 谢 37参考文献 38附 录 39附录A 391 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

12、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

13、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

14、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

15、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ORutten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，ALHerdrieh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Tokyo Keiki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