超声波流量计的设计.doc
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1、装订线长 春 大 学 毕业设计(论文)纸 序号(学号): 021240228长 春 大 学毕 业 设 计(论 文)超声波流量计的设计 姓 名高辉学 院电子信息工程学院专 业电气工程及其自动化专业班 级12402 指导教师李学军(教授)朱海忱2016年6月5日摘要摘要:超声波流量计是随着科学技术不断发展,开始得到广泛应用的一种仪表。超声波流量传感器的测定方法也是多种多样,速度变化发、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等都是比较常见的测量方法。超声波传播时间法是在目前应用比较广泛的超声波传播时间法也叫时差法。本设计首先对超声波流量计做进一步的了解,其次进行了一个整体的介绍,然后分析了各种超声波流
2、量计的工作原理,并讲述了硬件设计的原理及实现的目的。本设计包括单片机最小系统、信号的检测和调节模块、显示模块、时钟模块、等其他辅助模块。本课题选用的STC89s52单片机内部集成了很多模块,不仅简化了电路设计,同时也提高了系统的稳定性。实际情况中环境对信号有一定的影响,本设计采用硬件软件进行双重调节。其中模拟信号经过放大电路进行信号发大,再经过采样保持电路转换信号给A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转变。最后由单片机计算。关键字:超声波;流量计;时差法;单片机 ABSTRACT Abstract:Ultrasonic flowmeter is along with the continuou
3、s development of science and technology, is widely applied to the instrument. The determination method of ultrasonic flow sensor is also varied, speed change hair, wave velocity method, doppler effect method and flow of hearing are more common measurement methods. Method of ultrasonic transmission t
4、ime is in the more widely used ultrasonic transit time method also called time difference method. This design first understanding of the ultrasonic flowmeter for further, this paper describes an integral part of the second, and then analyzed the working principle of ultrasonic flowmeter, and tells t
5、he story of the purpose of the principle of hardware design and implementation. This design includes single chip microcomputer minimum system, signal detection and modulation module, display module, clock module, and other auxiliary modules. This topic chosen STC89s52 SCM much internal integration m
6、odule, not only simplifies the circuit design, but also improve the stability of the system. Actual situation in the environment has certain influence to the signal, the design is double adjustment with the hardware and software. The analog signals are amplified circuit for signal hair big, again by
7、 sampling keeping circuit switching signal to A/D converter to realize the change of analog signals to digital signals. The last calculated by the single chip microcomputer.Keywords:ultrasonic,Flow meter ,time-difference method ,singlechip目录摘要iABSTRACTii目录i第1章绪论11.1课题的背景及主要内容11.2国内外的应用现状及趋势11.2.1国内的
8、发展现状11.2.2国外的发展现状21.3课题的研究意义3第2章设计方案论证42.1超声波流量测量原理42.2系统总体方案的设计52.2.1总体方案的设计52.2.2硬件系统框图5第3章硬件设计63.1超声波换能器的选择63.2发射接收电路63.2.1发射电路63.2.2超声波接收电路73.3采样保持电路83.4 A/D转换电路93.5切换控制电路103.6单片机设计123.6.1单片机的选择123.6.2单片机引脚功能133.7与PC机通讯接口163.8 LCD显示电路173.9存储电路183.10蜂鸣器18第4章系统软件设计204.1系统主流程序204.2发射接收部分流程图204.3单片机
9、部分软件设计214.4显示部分流程图22结论23参考文献24致谢25附录26第1章绪论 在数千年前,当时人们面临灌溉和水利等流量计数问题,就开始着手研究流量测量问题。现如今水资源缺少,流量更大,所以就需要更精准更方便的测量。流体物资贸易核算,城市污水废气排放的总量计算;优良的流量计不仅能提高工业生产的效率,产品的质量和对环境的保护更能降低成本。许多工业方面都需要严格的流量检测和控制。由此可知,流量测量的方式和准确性将直接影响经济发展和生产。 根据超声波在流体中的传播特性来测量流量,不需要直接接触液体,不影响流体的流动。超声波流量计不但精度高、测量范围广,而且安装方便操作简单等优势所以被公认为是
10、较好的流量测量仪表。现代超声波流量在许多化工领域中得到了广泛应用。1.1课题的背景及主要内容计量对于现代工业生产来说是非常重要的,它是工业生产的眼睛,流量计算是计量科学的重要组成部分之一,它在经济领域、科学领域、建设领域有着重要的作用。特别是如今能源危机、工业发达的现代,流量计量在国民经济的地位更加凸显。超声波流量计传感器具有不阻碍流体流动的特点,可测的流体种类很多,不论非导电的流体、高粘度的流体,还是奖状流体,只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量,还适用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。本文围绕超声波流量计时差法测量技术的实现,详
11、细地说明和分析了硬件和软件的设计结构和原理,并给出详细的设计思想路线。本文由以下五部分内容组成:(1) 绪论:叙述了国内外超声波流量计的发展历史和现状,简述本文内容。(2) 介绍了超声波流量计的测试原理,系统的设计方案和系统框图。(3) 关于硬件的设计和详细的说明。(4) 关于软件部分的设计和说明。(5) 对本文设计作出总结。1.2国内外的应用现状及趋势1.2.1国内的发展现状 国外的流量计发展比国内较快,大部分的流量仪表都是由工业发达国家生产的,有的综合大型企业专业生产多品种的流量仪表,也有一些小型企业专业生产性能独特品种单一的流量仪表,当然后者的流量计占有的比例较高。 我国在近代流量测量技
12、术开展方面的工作较外国晚,早期我国所需流量计大多数是从国外进口,在20 世纪 30 年代中期的时候国内光华精密机械厂制造出家用水表,而在20 世纪 50 年代初文丘里管差压流量计现世,它是新成仪表厂所开发的。直到20 世纪 60 年代开始拥有了电磁流量计和涡轮流量计等本国产品。现在逐渐形成了一个相当规模从事仪表研究开发、流量测量技术和生产的产业。现如今从事流量仪表生产和研究的国内单位超过了 230 家,有 50 余家单位在中国仪器仪表行业协会和流量仪表专业协会注册登记,它们均是有相当技术或有一定潜力的企业。国内在 1990 年流量仪表总产量估计超过 25 万台。现如今国内科技发展更加迅速显然是
13、一个生产大国。1.2.2国外的发展现状 80 年代中后期,单片机技术得到了广泛的应用,超声波流量计向着智能化、高性能的方向发展。单片机技术能在在超声波流量计中得到应用,促使超声波流量计真正开始进入工业测量领域。近 10 几年来,在微处理器技术和高速数字信号的处理技术的快速进步下,在工艺的研究和新型探头材料,在声道配置和流动力学的研究下,超声波流量测量技术得到了长足的发展,形成了一种迅猛的发展势头。在70 年代中后期,因为许多大规模集成电路技术的迅猛发展,高精度的时间测量可以被轻而易举的实现,再加上锁相环路技术的应用,从而超声波流量计的稳定性有了初步的保证,其中为了消除环境变化对测量精度的影响,
14、出现了许多信号处理方法比如:频差法、锁相频差法。该类方法优点明显不仅测量周期短而且响应速度快,一定程度上几乎完全消除了环境对测量精度的影响保证了流量测量的准确性。因此这几种方法成为测量大管径大流量的主要设计方案,唯一的缺点就是当测量小管径小流量时它的精度得不到保证。与此同时,前苏联科技工作者深入细致的研究了管道内流体的流速分布规律,发现管道内流体流动存在两种不同的状态:紊流状态与层流状态,并明确的解释层流状态和紊流状态下流速分布规律,找到了流量修正系数在其理想状态下的近似计算公式,这一发现为超声波流量计的提高测量精度奠定了坚实有力的理论基础。至此,超声波流量计的应用与研究才蓬勃发展起来。而在8
15、0 年代初期,超声波流量计的设计方法已经不仅仅局限于频差法和时差法,伴随着电子技术和其相关理论的快速发展,超声波流量计的性能越来越好种类越来越多,又出现了相关法及噪声法、多普勒法、射束位移法等其它处理方法。 目前国外使用的流量计有100多种,国内投资生产的也有近50种。伴随着工业生产的自动化发展,管道化的进展,流量仪表使用占比越来越大。根据国外资料表明,在工业部门中使用的流量仪表数量占整个仪表总数的15-30。但是,现如今流量测量技术变得复杂化,以及对科学技术提出更新更高的要求,流量计量技术需要不断更新现况远不能满足生产的需要,还有大量的流量测量技术问题需要进一步研究解决。1.3课题的研究意义
16、 在我国水资源相当匮乏,地理分布也不平衡,随着国民经济的不断发展,由于水资源的缺少,价格也越来越高,因此对水量的计量精度要求也会越来越高,尤其是当对城市供水、大型引水等大流量的计量,因此要求流量计的精度非常高,因为即使很小的测量误差也会产生很大的流量计算误差,而因此所带来的直接经济利益也是一个非常可观的数目。因此就需要制造大流量、高精度、使用方便、价格合理的水流量计。超声测量仪表的优点非常多,首先测量准确度几乎不受被测流体压力、温度、密度、粘度等参数的影响,其次它可制成非接触仪表或者便携式测量仪表,成功的解决了仪表所难以测量的非导电性、强腐蚀性、放射性及易燃易爆介质等的流量测量问题。目前大多数
17、的工业流量测量大流量、大管径比较困难,一般流量计会随着测量管径的增大而增加制造和运输上的困难,能损加大、造价提高、安装困难等等,但是这些困难超声波流量计均可避免。那是因为各类超声波流量计均可在管外安装,不用接触无需拆卸安装十分方便。超声波流量计的造价基本上和被测管道口径大小无关,而其它种类的流量计会随着口径增加,造价也大幅度增加,因此在口径越大时超声波流量计比其它类型流量计的性价比高。大管径流量测量仪表是公认的好仪表,还有一种多普勒法超声波流量计,它可以测双相介质的流量,因此它可用来测量下水道及排污水等脏污流的流量。第 25 页 共 26 页第2章设计方案论证2.1超声波流量测量原理 超声波流
18、量传感器的测定方法是多样的,如传播速度变化发、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间法。 超声波在流体中传播时,在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,利用这一特点可以求出流体的速度,再根据管道流体的截面积,便可以知道流体的流量。 如果在流体中设置两个超声波传感器,它们既可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游一个装在下游,管道直径为,如图1所示。如设顺溜方向的传播时间为,逆流方向的传播时为为,流体静止时的超声波传播速度为,流体流动速递为,两超声波水平距离为,则一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度,因此超声波传播时间差为由于,从上式便可
19、得到流体的流速,即超声波传感器2超声波传感器1 图1 2.2系统总体方案的设计 2.2.1总体方案的设计本次设计中超声波换能器有着至关重要的作用,超声波换能器是整个检测的关键技术之一,换能器性能的好坏直接影响测量的精准度。本人根据课题的要求通过对超声波换能器的研究,基本掌握了课题所需指标,根据实际情况选择合适的换能器。另外,超声波在液体中传播有一定的衰减,必须选择合适的频率。其次,就是硬件部分的电路设计,设计过程需要观察细节不断完善,不仅要完成对信号的采集处理,还要修复和弥补环境引起的误差,所以电路设计是本课题的核心,更是需要突破的重点。超声波在水中传播会有一定的幅值衰减和波形扭曲等信号失真,
20、从失真的波形中提取有用的信息并准确无误的算出信号发送和接收的时间差是精准测量的基本要求,也是能够实现流量测量的基本基础。要实现对信号的处理,我先对接收信号进行放大处理,超声波接收器收到的电压非常小,所以本设计要经过三次放大处理,在经过采样保持器传到A/D转换器,进行模拟信号到数字信号的转变,然后传到单片机进行计算,接收信号经过调节传到单片机需要存储数据,所以在单片机上连接存储芯片方便单片机进行两次数据的运算,计算结果会在液晶显示器显示。2.2.2硬件系统框图 脉冲激励 切换开关显示 单片机蜂鸣器计时模块A/D转换滤波放大第3章硬件设计3.1超声波换能器的选择超声波换能器是超声波流量计的重要组成
21、部分,它对流量的检测精度整个系统的性能和可靠度有直接的影响,超声波换能器的种类有很多,性能各异,因此需要根据实际情况要求合理选择。 频率:超声波的频率越高,声束扩散角越小,能量越集中,分辨能力就越强,所测得的精度就越高,所以超声波频率很大程度上影响着系统性能。既然超声波频率越高精度越高,我们是不是应该选择高频探头呢?不是的,对于同一种材料来说,超声波在传播中的散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的四次方和二次方成正比,所以,频率越高,超声波衰减越严重,会增加硬件电路设计的难度。 入射角:超声波换能器所安装的位置也会影响信号的传递。当超声波入射时会在管壁及流体界面处发生折射,变成两束纵波在流体中
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