【正文】 3D2G ND4J1US B CO N NV C C 圖 412 USB供電 電源在使用的過(guò)程中，需對(duì)電源進(jìn)行濾波，電源濾波電路如圖 413 所示 圖 413 電源濾波電路 存儲(chǔ)電路 本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)果非常重要，所以 必須需要及時(shí)的對(duì)測(cè) 量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，此外還要存儲(chǔ)流量計(jì)的各種參數(shù)，比如 管徑、聲路角、修正系數(shù)、 計(jì)算公式等，所以 存儲(chǔ)器選用 24C02C，存儲(chǔ)電路如圖 414所示 ： C1 10uF C2 VCC 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 414 存儲(chǔ)電路圖 SCK 6 SDA 5 WP 7 A0 1 A1 2 A2 3 U2 24C02C R3 R4 VCC 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 47 頁(yè) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波流量計(jì) 系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì)包括主從單片機(jī)兩個(gè)部分，主單片機(jī)部分主要完成參數(shù)的設(shè)定，流量的計(jì)算，測(cè)量結(jié)果的顯示；從單片機(jī)部分主要完成超聲波收發(fā)電路的控制，傳播時(shí)間的測(cè)量，數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和傳輸?shù)?。?dāng)外部數(shù)據(jù)引腳 TXD上的時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)后，串行口在該機(jī)器周期的第 5 節(jié)拍的后半段對(duì) RXD 上的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集，并且將該數(shù)據(jù)送入接收緩沖寄存器。當(dāng) 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(qǐng)串行口中斷 ，并且只有在 TI被清除后才能夠進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)的發(fā)送。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(dá) 1MB/s。接口連接方式是主從串行通信連接方式。 （ 9）單片機(jī)的保密性是否很好，單片機(jī)的抗干擾的性能如何等。 （ 7）單片機(jī)在市面上的銷售渠道是否暢通、其價(jià)格是否便宜。 （ 5）單片機(jī)對(duì)工作的溫度范圍的要求。 （ 3）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲(chǔ)器的容量， I/O口的引腳數(shù)量等。目前，市面上的單片機(jī)的種類繁多，并且他們?cè)诠δ芊矫嬉彩歉髯杂懈髯缘奶攸c(diǎn)。 鍵位設(shè)計(jì)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(jì)圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 410 矩陣式鍵盤電路設(shè)計(jì)圖 主從單片機(jī)之間的電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對(duì)單片機(jī)的選擇更是異常重要。由于超聲波發(fā)射和接收的次數(shù) N可以通過(guò)編程來(lái)控制， N值不會(huì)太大，故計(jì)數(shù)電路選用 4片 74S196芯片串接就可滿足需要。分頻計(jì)數(shù)器 4040滿 , 將在 INT1端產(chǎn)生一個(gè)下降沿 ,向單片機(jī)申請(qǐng)外部中斷。三個(gè)繼電器的狀態(tài)分別由單片機(jī)的三個(gè)位口線來(lái)控制。帶通濾波電路設(shè)計(jì)如下圖： 圖 44 帶通濾波電路 超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大之后和帶通濾波器之后，信號(hào)還比較小，采用具有較高的增益寬帶積INA128放大器，進(jìn)行二級(jí)放大，放大的超聲波信號(hào)送到計(jì)數(shù)電路。 第一級(jí)放大電路采用低噪聲高速放大器 MAX410： 一級(jí)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(hào)，經(jīng)過(guò)電阻從 ,MAX410 的 3 腳輸入，放大后的信號(hào)由 MAX410 的 6 腳輸 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 47 頁(yè) 出，輸出的信號(hào)一路送到帶通濾波器進(jìn)行濾波處理，另一路反饋到 ICICD4046 用來(lái)完成鎖相，以保持相位。具體電路圖如下： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 42 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 超聲波換能器發(fā)射出 超聲波信號(hào)后，會(huì)經(jīng)過(guò)管壁和待測(cè)流體傳播到接收換能器，中間有雜質(zhì)和氣泡，信號(hào)不穩(wěn)定且強(qiáng)度不斷減少，所以需要對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)，以控制超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。 在 這個(gè)過(guò)程 中 可以得到順流傳播的傳播時(shí)間， 測(cè)量 逆流方向傳播的時(shí)間 同理，然后 通過(guò) 并行口 傳輸 到單片機(jī)上。其系統(tǒng)框圖如圖 41所示： 從單片機(jī) 主單片機(jī)鍵盤計(jì)數(shù)電路信號(hào)調(diào)理發(fā)射電路切換開(kāi)關(guān)接收電路 LEDV 圖 41 系統(tǒng)硬件框圖 系統(tǒng)的工作過(guò)程：通過(guò)編程使單片機(jī)發(fā)出一定的方波脈沖，先對(duì)計(jì)數(shù)器清零，接著同步啟動(dòng)發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時(shí)使計(jì)數(shù)電路開(kāi)始對(duì)高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，在接收端接收到脈沖信號(hào)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)。 t8 tan4 v 22 ??? KDcKvDQ ??? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 47 頁(yè) 整 體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 根據(jù)時(shí)差法流量測(cè)量的 原理和時(shí)差信號(hào) 比較 小的特點(diǎn)， 本次設(shè)計(jì) 研究的時(shí)差法超聲 波流量計(jì)主要由兩 個(gè)部分組成：信號(hào)采集部分， 信號(hào)處理 部分 及人機(jī)接口部分。對(duì)于圓形管道而言，流量計(jì)算公式為 : ?tan2t 2c Dv?? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 47 頁(yè) 其中， K為流體流速修正系數(shù)。 式 (32)與式 (33)相減得：超聲波順逆流的傳播時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)流體的實(shí)際流速 v，即 cv。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 36 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖 從圖 6 所示的時(shí)差法超聲波計(jì)的測(cè)量原理圖中可以看出，兩個(gè)超聲波換能器分別安裝在被測(cè)流體管徑的兩側(cè)，通過(guò)一定的方式 可以改變超聲波在流體中的傳播方向，通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中的順、 逆流 的 傳播時(shí)間差 值 就可以 通過(guò)計(jì)算測(cè)出流體的流速，并且最后 計(jì)算出流量值。 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理及影響測(cè)量的主要因素 超聲波流量計(jì)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(shí)存在時(shí)間差，而傳播時(shí)間的差異與被測(cè)流體的流速 有關(guān)系，因此測(cè)出時(shí)間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計(jì)算出流體的流量。 圖 34 N法安裝示意圖 W 安裝方法 的 跟 N 型同理 ，都是通過(guò)延長(zhǎng)聲波傳輸距離來(lái)使 測(cè)量精度 變高，此種方法適合 管徑小于 50mm的小管徑管道 測(cè)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(guò)流體一 次。 諧振子 電極板 壓電晶體 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 33 Z法安裝示意圖 N 字 安裝 方法適合測(cè)量 管徑 小一點(diǎn) 的管道，超聲波波束 會(huì)在管道中進(jìn)行兩 次折射， 穿過(guò)流體 三次 ，這種 N字安裝 方法可以提高測(cè)量 的準(zhǔn)確度。 當(dāng)管道的管徑超出范圍 ，或 者流體中有雜物、管道有污垢或管道里襯特別 厚時(shí)， V 法安裝就不能正常測(cè)量了，那么我們 就要選擇 用 Z法 進(jìn)行 安裝 了。安裝時(shí)特別要注意將 兩個(gè) 超聲波探頭 水平 方向?qū)R，要求它的 中心線與管道中心線要 成水平一線。 超聲波換能器安裝方式簡(jiǎn)介 現(xiàn)在大多數(shù)超聲波流量計(jì)的安裝方式均采用夾裝式，即將超聲波探頭夾持固定，安裝在被測(cè)管道的管壁上，對(duì)于單聲道的流量計(jì)，其僅有兩個(gè)超聲波探頭， 它的安裝方法基本有 4 種 ， 分為： V法、 Z法、 N法和 W法。這樣就會(huì)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 這種能量沿特定 方向傳播出去，就形成 了 超聲波。 壓電型超聲波換能器主要是靠 壓電晶體的諧振來(lái)工作的 。 它的原理是在發(fā)射時(shí)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為聲能，反之亦然。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 47 頁(yè) 3 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的總體設(shè)計(jì) 超聲波換能器的結(jié)構(gòu)及原理 在本次設(shè)計(jì)中我們需要用到超聲波換能器，那么什么是換能器呢？它是一種電與聲之間的轉(zhuǎn)換裝置用來(lái)控制聲波的發(fā)射與接收 。 另外，本次設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)適用于管道和明渠流量測(cè)量 ,適合測(cè)量的流體：水或其它雜質(zhì)較少的液體 ,管徑或明渠寬度： ～ 20m,流速： ～ 12m/s。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 47 頁(yè) 改進(jìn)時(shí)差法的原理和優(yōu)點(diǎn) 圖 23 改進(jìn)時(shí)差法測(cè)量原理圖 順流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為： 1c o s2sin tdvC ?? ?? （ 28） 逆 流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為： 2c o s2sin tdvC ?? ?? （ 29） 兩式相減， ?2sin221 12 dtt ttv ??? （ 210） dvQ ?? (211 ) 此式中不含有聲速 C，只要測(cè)出 順、 逆流傳播時(shí)間 t1 和 t2 即可，改進(jìn)時(shí)差法避免了系統(tǒng)受溫度的影響，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。 管材 的適應(yīng)能力也比較強(qiáng)， 鋼 管 、鑄鐵 管 、有機(jī)玻璃、 PVD 管材、玻璃鋼管等 它都可 以測(cè)量 ，由于測(cè)量 流體的 精 確 度高，測(cè)量 流體 的流量 范圍 大， 所以 在大流量測(cè)量 系統(tǒng)中得到了重用 。 但其自身也分為兩種不同的方法：傳統(tǒng)時(shí)差法和改進(jìn)時(shí)差法。 圖 21 多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)量原理 如圖 21所示，超聲探頭 A向流體發(fā)出 頻率為 fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸洌⑸涞某暡óa(chǎn)生多普勒頻移 fd，接收探頭 B收到頻率為 fB的超聲波，其值為 ： ??c osc oscf vcc vf AB ??? （ 21） 式中 v一散射體運(yùn)動(dòng)速度。由于 適用范圍廣，測(cè)量精度高，因此被廣泛認(rèn)可，目前國(guó)也有比很多的廠家生產(chǎn)此類流量計(jì) 。 多普勒超聲流量計(jì) 可 以 測(cè)量的 對(duì)象只有 非均勻流體， 比如：生活污水、工業(yè)廢水、機(jī)油、重油。 論文研究的主要內(nèi)容 本文通過(guò)充分調(diào)研并查閱大量文獻(xiàn)資料，選擇 時(shí)間差法超聲波流量計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容如下： 方法（擬選擇使用最廣泛的壓電型超聲波傳感器，選取兩個(gè)收 /發(fā)型超聲波探頭）； （ Z型、 V型、 W型），擬選擇 V型安裝方法； ，針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問(wèn)題，采用改進(jìn)型算法將溫度影響在理論上消除； ，要求低功耗、低價(jià)格、芯片的功能能滿足本設(shè)計(jì)的所有要求； ：擬采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，對(duì)流量低于或高于規(guī)定閾值進(jìn)行報(bào)警； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 47 頁(yè) ：要求滿足不低于 B 級(jí)精度 ，也可以考慮多組測(cè)量之后進(jìn)行處理，如選擇求取算術(shù)平 均值作為最終測(cè)量結(jié)果； ：擬選擇 LCD12864顯示 模塊； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 47 頁(yè) 2 設(shè)計(jì)方案 及工作原理 超聲波流量計(jì) 有 很多種類 ， 其中應(yīng)用最廣泛的是 多譜勒超聲 波流量計(jì)，另一種是 時(shí)差法超聲波流量計(jì)。中國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，是科技與經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的國(guó)家，超流量計(jì)在我國(guó)有很大的發(fā)展和上升空間。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的原件，因此，它幾乎不需要維修，它能夠準(zhǔn)確的測(cè)量到液 態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需要像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。因此，超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)也尤為重要。超聲波流量計(jì)的發(fā)展前景在中國(guó)非?？捎^，在供水系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、電力、天然氣等眾多領(lǐng)域都需要用到超聲波流量計(jì)。 超聲波流量計(jì)已經(jīng)快速發(fā)展為流量測(cè)量方面的第一選擇 。我 們 國(guó) 家 的超聲波流量計(jì)的 研究技術(shù)水平相對(duì)于來(lái)說(shuō)還 比較落后，但在經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，綜合國(guó)力不斷的增強(qiáng) 下， 對(duì)于超聲波流量計(jì)的 研究技術(shù)水平也在不斷地突破 ，在目前中國(guó)的節(jié)能減耗、可持續(xù)發(fā)展的體制下， 我們將超聲波流量使用在重油，天然氣，水等寶貴資源的測(cè)控 上。 94 年正式出版了中國(guó)計(jì)量科學(xué)院，組織有關(guān)專家起草，分別經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局建設(shè)部批準(zhǔn)的“ JJG”19894 速度試流量計(jì)的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 JJG(建設(shè) )000294 超聲流量計(jì)的部門計(jì)量檢測(cè)規(guī)程。我國(guó)在 6070 年代， 機(jī)械工業(yè)部上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、北大研究所相繼開(kāi)始研究。當(dāng)前全世界 50 多家較大的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)商都集中于歐美日等國(guó)家，其中處于領(lǐng)先水平的有沒(méi)美、荷蘭、德、加拿大等國(guó)家，這些國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)、電子技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)都處于優(yōu)勢(shì)。 20 世紀(jì) 90 年代后