【文章內(nèi)容簡介】 是進行直接傳輸?shù)?，不 會 發(fā)生折射。 諧振子 電極板 壓電晶體 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 47 頁 圖 33 Z法安裝示意圖 N 字 安裝 方法適合測量 管徑 小一點 的管道，超聲波波束 會在管道中進行兩 次折射， 穿過流體 三次 ，這種 N字安裝 方法可以提高測量 的準確度。安裝示意圖可如 34所示 。 圖 34 N法安裝示意圖 W 安裝方法 的 跟 N 型同理 ，都是通過延長聲波傳輸距離來使 測量精度 變高，此種方法適合 管徑小于 50mm的小管徑管道 測量 ，如圖 35所示， 這種安裝方法跟 N型相比多折射了一次，多穿過流體一 次。 圖 35 W法安裝示意圖 在本設(shè)計中，我們的換能器將采用 V 字型 安裝 方法， 這樣不但安裝簡便而且還有其他優(yōu)勢， 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)不對稱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 測量 產(chǎn)生 的干擾。 時差法超聲波流量計測量原理及影響測量的主要因素 超聲波流量計的基本原理是 :利用超聲 波在流體中順流 、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流速 有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。 本課題的研究對象是時差法超聲波流量計，下面將具體介紹其測量原理。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 47 頁 圖 36 時差法超聲波流量計測量原理圖 從圖 6 所示的時差法超聲波計的測量原理圖中可以看出，兩個超聲波換能器分別安裝在被測流體管徑的兩側(cè)，通過一定的方式 可以改變超聲波在流體中的傳播方向，通過測量超聲波在流體中的順、 逆流 的 傳播時間差 值 就可以 通過計算測出流體的流速，并且最后 計算出流量值。 時差法超聲波流量計測量的 數(shù)據(jù) 是超聲波在流體中的傳播時間 差值，通過測量超聲波在順、 逆流時的傳播時間差 △ t來獲得流體的流量，具體原理如下 : 設(shè)超聲波順流 時的 傳 播時間為 : ??vcosc sin/t1 ?? D （ 32） 超聲波逆流 時的 傳播時間為： ??vcosc sin/t 2 ?? D （ 33） 其中 D 為管道直徑， v 為被測流體的流速，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 (32)與式 (33)相減得：超聲波順逆流的傳播時間差△ t為 : )c os(s i n c os2 22212 ?? ?vcDvttt ?????? （ 34） 由于超聲 波在靜止流體中傳播的速度 c遠遠大于被測流體的實際流速 v，即 cv。因此可得 : 2222 c o sc cv ?? ? （ 35） 則 (34)式可以簡化為 : （ 36） 將 (34)中的 v移到等式的左邊可以得到其計算公式 : tDc ?? 2tanv 2 ? （ 37） 在式 (37)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，被測流體的流速 v只與參數(shù) D、超聲波發(fā)射角度 θ 、時間差△ t有關(guān)，而 D與 θ 視為系統(tǒng)參數(shù)，因此只要測得時間差△ t便可求得流速 v，進而求得流量 Q。對于圓形管道而言，流量計算公式為 : ?tan2t 2c Dv?? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 47 頁 其中， K為流體流速修正系數(shù)。 從上面的測量原理可以看出，只要測得超聲波順逆流的傳播時間差△ t 就可以計算得到流量值，因此，獲得精度較高的△ t 值才能得到高精度流量測量值。 t8 tan4 v 22 ??? KDcKvDQ ??? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 47 頁 整 體硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖 根據(jù)時差法流量測量的 原理和時差信號 比較 小的特點， 本次設(shè)計 研究的時差法超聲 波流量計主要由兩 個部分組成：信號采集部分， 信號處理 部分 及人機接口部分。兩部分分別以主單片機和從單片機為核心，根據(jù)鍵盤 的輸入所發(fā)出的命令，進行對 應(yīng)的操作，主要完成超聲波的發(fā)射和接收以及 超聲波傳播時間的測量，這部分主要由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、順逆流切換電路、電壓 比較電路、計數(shù)控制電路等組成；信號處理及人機接口部分也是以從單片機 為核心，主要負責(zé)對整個系統(tǒng)的控制、流量的計算還有人機接口服務(wù)，包括鍵盤、 LED顯示、數(shù)據(jù) 存儲等。其系統(tǒng)框圖如圖 41所示： 從單片機 主單片機鍵盤計數(shù)電路信號調(diào)理發(fā)射電路切換開關(guān)接收電路 LEDV 圖 41 系統(tǒng)硬件框圖 系統(tǒng)的工作過程：通過編程使單片機發(fā)出一定的方波脈沖，先對計數(shù)器清零，接著同步啟動發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時使計數(shù)電路開始對高頻方波進行計數(shù)，在接收端接收到脈沖信號后返回發(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)。當完成所定的多脈沖個數(shù)后，關(guān)斷高頻方波， 計數(shù)器 從而停止計時工作 。 在 這個過程 中 可以得到順流傳播的傳播時間， 測量 逆流方向傳播的時間 同理，然后 通過 并行口 傳輸 到單片機上。單片機 在接 收到順 、逆流的傳播時間數(shù)值 后， 將會采用濾波技術(shù)對這些時間信號進行相應(yīng) 處理，并 且 計算出相應(yīng)的流速和流量， 然后 保存到存儲器中， 最后 送到 LCD顯示屏 上顯示出來。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計 單片機系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射啟動信號，以控制超聲波換能器發(fā)射超聲波信號。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，單片機發(fā)出的方波信號經(jīng)過三極管放大和變壓器升壓后，達到足夠的功率后驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。具體電路圖如下： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 47 頁 圖 42 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路設(shè)計 超聲波換能器發(fā)射出 超聲波信號后，會經(jīng)過管壁和待測流體傳播到接收換能器，中間有雜質(zhì)和氣泡，信號不穩(wěn)定且強度不斷減少，所以需要對接收到的超聲波信號進行濾波和放大處理。 設(shè)計中，采用二級放大和帶通濾波。 第一級放大電路采用低噪聲高速放大器 MAX410： 一級放大電路圖如下： 圖 43 超聲波接收電路 接收到的超聲波信號，經(jīng)過電阻從 ,MAX410 的 3 腳輸入，放大后的信號由 MAX410 的 6 腳輸 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 47 頁 出，輸出的信號一路送到帶通濾波器進行濾波處理，另一路反饋到 ICICD4046 用來完成鎖相，以保持相位。 超聲波信號經(jīng)過一級放大后，用 MAX275帶通濾波器濾波之后送到二級放大電路，進行第二次放大。帶通濾波電路設(shè)計如下圖： 圖 44 帶通濾波電路 超聲波信號經(jīng)過一級放大之后和帶通濾波器之后，信號還比較小，采用具有較高的增益寬帶積INA128放大器，進行二級放大，放大的超聲波信號送到計數(shù)電路。二級放大電路圖如下： 圖 45 二級放大電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 47 頁 超聲波順逆流發(fā)射和接收控制電路設(shè)計 電路圖如下： 圖 46 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雙刀雙置的繼電器開關(guān) K1/K2/K3 控制，繼電器 K1 為總開關(guān)，如果 K1導(dǎo)通，通過 K2 和 K3 的導(dǎo)通和關(guān)閉情況來控制換能器 T1和 T2哪個為發(fā)射，哪個為接收。三個繼電器的狀態(tài)分別由單片機的三個位口線來控制。 計數(shù)電路的設(shè)計 單片機晶振頻率取為 12MHz,通過 、 ,進而控制超聲波順流發(fā)射或逆流發(fā)射 ,而 ,。分頻計數(shù)器 4040滿 , 將在 INT1端產(chǎn)生一個下降沿 ,向單片機申請外部中斷。單片機通過 74LS245,從 P0口讀入其中的計數(shù)值。由于超聲波發(fā)射和接收的次數(shù) N可以通過編程來控制， N值不會太大，故計數(shù)電路選用 4片 74S196芯片串接就可滿足需要。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 共 47 頁 計數(shù)部分的電路圖如下所示： 圖 47 計數(shù)電路 LCD12864 顯示電路設(shè)計 其各項 技術(shù)指標和顯示 的 特性如下： 電源： VDD — +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：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等 LCD12864顯示電路設(shè)計如下圖： 從單片機 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 47 頁 圖 48 LCD12864顯示電路 參數(shù)輸入電路設(shè)計 鍵盤是人機對話的重要組成部分， 本設(shè)計中使用了 10個數(shù)字鍵和 6個功能鍵：選擇修改管道直徑、選擇修改夾角、增一鍵、減一鍵、確認開始鍵和修改鍵。 鍵位設(shè)計圖和矩陣式 鍵盤的電路圖分別如下： 1 2 3 459C6 7 80 A BD E F 圖 49 鍵位設(shè)計圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 47 頁 圖 410 矩陣式鍵盤電路設(shè)計圖 主從單片機之間的電路設(shè)計 單片機的選擇 單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合適的單片機不僅可以最大地 簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有： （ 1）單片機最基本性能參數(shù)指標。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量， I/O口的引腳數(shù)量等。 （ 2）單片機的某些增強的功能。 （ 3）單片機的存儲介質(zhì)。 （ 4）單片機的封裝形式。 （ 5）單片機對工作的溫度范圍的要求。 （ 6）單片機的功耗。 （ 7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。 （ 8）單片機技術(shù)的支持網(wǎng)站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手冊，設(shè)計方案舉例，相關(guān)范例程序等。 （ 9）單片機的保密性是否很好，單片機的抗干擾的性能如何等。 本設(shè)計 采用了主從單片機協(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 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 共 47 頁 工作方式 0下工作時，本質(zhì)上是一個移位寄存器， 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用來提供數(shù)據(jù)的同步脈沖，移位脈沖為外部晶體頻率的1/ 0 不支持雙工的工作方式，因此在同一時刻只能夠進 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 1MB/s。 （ 1）數(shù)據(jù)發(fā)送 當向 SBUF寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，串行口在下一個機器周期開始時把數(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，外部引腳 TXD上會給出一個時鐘信號，該時鐘信號頻率為單片機工作頻率的 1/12,在機器周期的第 6節(jié)拍起始時變高，在第 3節(jié)拍到來時變低，在第 6節(jié)拍的后半段進行一次數(shù)據(jù)移位操作。當 SBUF 內(nèi)的 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，串行口將置位 TI，申請串行口中斷 ，并且只有在 TI被清除后才能夠進行下一個字節(jié)的發(fā)送。 （ 2）數(shù)據(jù)接收 在 REN標志位和 RI標志同時為零后的下一個機器周期，串行口將 1010 1010寫入接收緩沖寄存器，準備接收數(shù)據(jù)。當外部數(shù)據(jù)引腳 TXD上的時鐘信號到達后，串行口在該機器周期的第 5 節(jié)拍的后半段對 RXD 上的數(shù)據(jù)進行一次采集，并且將該數(shù)據(jù)送入接收緩沖寄存器。當完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)接收后，置位 RI并且申請一個串行中斷，只有在 RI被清除之后才能夠進行下一次接收。 主從單片機之間的連接方式如下圖所示： P 1 .1IN T 0P 1 .1T X DT X DR X D R X DIN T 0主單片機從單片機 圖 411 主從單片機串行通信示意圖 電源電路 本設(shè)計采用 USB供電，由于從 USB的 4號引腳出來的是 5V的直流電，故可以直接作為單片機供電電路用，如圖 412所示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 共 47 頁 V C C1D+3D2G ND4J1US B CO N NV C C 圖 412 USB供電 電源在使用的