课程设计-- 基于超声波原理的流量计设计

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1、基于超声波原理的流量计设计1.设计思路按照题目要求设计一个主要是基于超声波时差法结合P89LPC932单片机完成整个系统的设计，其中时间测量采用单片机对微小时间进行测量，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分组成。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；如何进行微小时间的测量。2.方案设计2.1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

2、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间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法。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可以检测出流体的流速，从而换算成流量。图1时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波

3、的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：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，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：上式可简化为：也就是流体的流速为：由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量Q可以表示为：如果已经知道了L、c、D和θ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差（Δ

4、t）就可以求出速度V，进而得到瞬时流量。2.2工作过程单片机发出测量命令后产生一定的波形，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，一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分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。这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播时间，并通过并行口送到单

5、片机上。单片机收到顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波器对时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，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3.1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，这就是换能器。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分。通常所说的超生换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以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

6、；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主要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，并且发射的超声波具有一定的能量，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。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。本设计中采用的是由单片机发出的方波，单片机P3.7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

7、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端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联。用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04AN输出高电平的驱动能力。另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间，下图为超声波发射部分电路图。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、CX20106A处理两部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接

8、收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过CX20106A处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断，下图为超声波接收部分电路图。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用双CPU并行工作,串行数据接口,可完成信号控制手动操作、循环控制和系统自检测。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可以扩大