超聲波流量計的設計

1、湖南理工學院 畢業(yè)論文 題目：作 者：屆 別： 院 別：專 業(yè)：指導老師：職 稱：完成時間:摘要超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關、精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認為是較好的大管徑流量測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應用。然而，由于超聲波流量計只是在近幾十年才出現(xiàn)的一種新型儀表，還有很多不完善的地方，比如成本較高、精度不夠等，有必要對其加以改進和提高。本設計與傳統(tǒng)的機械式流量儀表不同，它具有機械式儀表所不具備的優(yōu)點，而且因其采用高精度時間測量芯片TDC-GP2進行時間

2、測量，保證了測量的精度。本設計采用時差法原理進行測量流體流速，進而計算出瞬時流量。論文從流量計的發(fā)展歷史和背景到超聲波流量計的原理、特點以及國內(nèi)外發(fā)展概況，詳細地介紹了超聲波流量計。另外，論文又詳細研究了時差法超聲波流量計的理論知識，并在理論基礎上研究了超聲波流量計的硬件電路與軟件部分，其中所用的高精度時間測量芯片TDC-GP2以及單片機STC89C58RD+是本設計的核心部分。本設計成功實現(xiàn)了瞬時流量的測量與輔助功能的實現(xiàn)，有較廣闊的研究前景。緒論1.1流量計的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀概述數(shù)千年前，人們?yōu)榱诉m應水利和農(nóng)業(yè)灌溉的需要，就已經(jīng)開始關注流量測量的問題。流量測量作為人類文明的一種標志，是計量科

3、學技術的組成部分之一，它不僅廣泛用于農(nóng)業(yè)和水利，也廣泛用于化工、石油、冶金以及人民生活各個領域之中，一直得到世界各國政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強。最早的流量測量發(fā)生在公元前1000年，古埃及人通過對尼羅河流量的測量來預計當年收成的好壞，古羅馬人利用孔板測量的方法在修建引水渠時進行流量測量。而到目前為止，流量計的發(fā)展也有了幾百年的時間，早在1738年，瑞士人丹尼爾伯努利以伯努利方程為基礎，利用差壓法測量水流量；后來意大利人文丘里研究用文丘里管測量流量，并于1791年發(fā)表了研究結果；1886年，美國人郝謝爾用文丘里管制成測量水流量的實用裝置。20世紀初期到中期，原有的流量原理逐漸成

4、熟，人們開始探索新的測量原理。自1910年起，美國開始研制測量明溝中水流量的槽式流量計。1992年，帕歇爾將原文丘里水槽改革為帕歇爾水槽。1911-1912年，美籍匈牙利人卡門提出卡門渦街的新理論。30年代，又出現(xiàn)了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)為止未獲很大進展，直到1955年才出現(xiàn)應用聲循環(huán)法的馬克森流量計，用于測量航空燃料的流量，1945年，科林用交變磁場成功地測量了血液流動的情況。由于經(jīng)濟生產(chǎn)落后，直到20世紀50年代，工業(yè)中使用的主要流量計也只有孔板、皮托管、浮子流量計三種。20世紀60年代以后，隨著國際經(jīng)濟和科學技術的不斷發(fā)展，測量儀表開始向精密化、小型化方

5、向發(fā)展。至今，我國已經(jīng)形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術與儀表研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過230家。目前我國的流量裝置方面與國際水平仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)品的品種、規(guī)格、精確度和可靠性尚不能滿足國內(nèi)市場的需求，一些新型的流量計，如渦街流量計、旋進漩渦流量計、射流流量計等的技術水平與國際先進水平有較大的差距，需要有較充足的經(jīng)費支持并通過艱苦的努力，才有可能達到國際先進水平。1.2超聲波流量計概述超聲波是指聲音頻率高于人耳聽覺范圍的聲波，其頻率大于20KHz ，與一般聲波相比，它的振動頻率高，波長短，具有束射特性，可以定向傳播，具有很強的穿透能力，在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的

6、增加，能量逐漸衰減。為了消除聲速變化對測量精度的影響，頻差法超聲波流量計應運而生，這種流量計的聲速受溫度變化的影響遠小于時差法，靈敏度高，測量范圍廣，因而這種方法成為測量大管徑大流量超聲流量計的主要方案。目前市場上管道式氣體用的超聲波流量計的最大管徑可達到1100mm ，最多的有6個聲道，精度可以達到0.1的等級。夾持式氣體用超聲波的管徑最大可達到1500mm ，最多可以有8聲道，精度在0.5%-1%測量值之間。今年國際市場較為引人注目的超聲氣應用，就是中國的西氣東送項目。在這一世界最長的氣體輸送管線上，每年要輸送超過40億美金的天然氣，總計有13套超聲氣體流量計在這一管線應用。我國超聲波流量

7、計年產(chǎn)量90年代初估計為800-1000臺。我國于94年正式出版了由中國計量科學院組織有關專家起草、分別經(jīng)國家技術監(jiān)督局和建設部批準的“JJG198-94速度式流量計”的國家計量檢定規(guī)程(包括超聲波流量計JJG(建設0002-94超聲流量計(傳播速度差法、多普勒法 的部門計量檢定規(guī)程。這是我國超聲波流量計發(fā)展的一個標志。我國目前的超聲波流量計的研制和生產(chǎn)仍然是屬于比較落后的，盡管這些年來國外很多大的超聲波流量計生產(chǎn)企業(yè)紛紛進駐中國市場帶動了國內(nèi)相關領域的快速發(fā)展，出現(xiàn)了上文所提到的國內(nèi)超聲波流量計生產(chǎn)廠家，但總體上來講，我們現(xiàn)有技術和生產(chǎn)水平仍是落后的，與國際先進水平存在較大的差距。目前國內(nèi)超

8、聲波流量計市場的現(xiàn)狀是:高精度超聲波流量計依賴進口，低檔產(chǎn)品過剩。超聲波流量計在工業(yè)中的應用包括氣體、液體以及固體物質(zhì)流量的測量，其測量范圍對大多數(shù)液體介質(zhì)而言，流速從每秒幾厘米到每秒十幾米，管徑從小于1厘米到幾米，工作溫度從低溫(如液態(tài)氧、液化天然氣 到上千度的高溫，允許工作壓力從接近真空到幾百個大氣壓，其響應時間從幾毫秒到24小時。和傳統(tǒng)的流量計相比，超聲波流量計有以下突出的優(yōu)點：1. 結構簡單，安裝、使用和維護方便。超聲波流量計可以夾持在管道外側安裝，無需對管道進行改動，這給臨時檢查管內(nèi)的流量提供了方便。2. 適用于大型圓形管道和矩形管道，原理上不受管徑限制，通用性好，同一儀表可以測量不

9、同管徑的管道流量，使用時不必嚴格考慮管材和壁厚，且其造價基本上與管徑無關，更適合于大管徑、大流量的場合。3. 待測液體只要可以傳播聲波就可以對其進行管外測量。這種非接觸測量方法無壓力損失，不破壞流場，部件不受流體腐蝕和磨損。4. 可以直接給出被測流體的瞬時流量和累積流量，可以用模擬量或數(shù)字量輸出。5. 對介質(zhì)幾乎無要求，只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計測量流量，因而適用于多種流體，除了水、石油等常見流體外，尤其適用于其他方法不便測量的情況，例如高溫高壓、腐蝕性液體、高粘度液體或氣體等; 而它可測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。6. 除測量流速和流量外，與微機

10、聯(lián)合使用，使其智能化后，可以進行各種管道、流體參數(shù)的設置，還可以自動地對流體的其他參數(shù)(如成份、濃度、速度面等 進行綜合測量。超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示兩部分組成，是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表。超聲波流量計有多種分類方法，主要有：（1）按照安裝方式分類：外夾式、插入式、管段式。外夾式傳感器安裝時需要將管外壁的擬安裝位置打磨光滑后用耦合劑將傳感器（探頭）貼于管外壁再用專用夾緊裝置固定。該方式能方便地在管外進行水流量測量，也適合便攜式。缺點是易因耦合劑的處置不當引起信號接收狀態(tài)惡變而影響測量的穩(wěn)定性。插入式傳感器安裝時用鉆孔工具在不停產(chǎn)狀態(tài)下將傳感器(探頭

11、 插入管路中。優(yōu)點是能在水管內(nèi)壁結垢或水中帶氣情況下實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的測量。管段式傳感器安裝時需要切開選定的直管段，采用法蘭聯(lián)接。產(chǎn)品已經(jīng)過專門出廠標定，好處是傳感器可以不停產(chǎn)進行維修，特點是測量準確度高。（2）按照測量原理不同分類（常用）：多普勒超聲波流量計和時差法超聲波流量計。多普勒超聲波流量計是利用相位差法測量流速，即超聲波在流體中運動，由于液體本身有一運動速度，導致超聲波在接收器與發(fā)射器之間的頻率或相位發(fā)生相對變化，通過測量這一相對變化就可獲得液體速度；時差型是利用時間差法測量流速，即超聲波傳播速度由于流體流動而使得其在接收器與發(fā)射器之間傳播時間發(fā)生變化，通過測量此時間變化就可獲得流體流速

12、。多普勒超聲波流量計的原理： 換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，f2與f1之差即為多譜勒頻差。設流體流速為v ，超聲波聲速為c ，多譜勒頻移正比于流體流速v ，則vcf f f f v c L t d =-=+=sin 2cos 1121 當管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率和聲速確定以后，c 、f1、即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。時差式超聲波流量計的原理：時差式超聲波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。

13、如下圖，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時間為： 反之，逆流方向的傳播時間為： cos 2v c L t -=時間差為：222121cos cos 2v c Lv t t t -=-=由于cv，故(忽略不計、222cos cos 2v v c L t = 所以，流體流速t L =cos 2c v 2 其中c 、L 、均為常數(shù)，測得時間差t 即可求出流體流速v 進而求得流體流量。 （3）按照使用方式不同分類：固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。兩者的主要區(qū)別如下：適用場合不同：固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內(nèi)流體的流量進行長期不間斷的計量；便攜

14、式超聲波流量計具有很大的機動性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時測量。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本文通過充分調(diào)研并查閱大量文獻資料，選擇基于TDC-GP2時間測量芯片的時間差法超聲波流量計，主要研究內(nèi)容如下：1. 超聲波傳感器的技術指標及使用方法（擬選擇使用最廣泛的壓電型超聲波傳感器，選取兩個收/發(fā)型超聲波探頭）；2. 超聲波探頭的安裝方式對比選?。╖ 型、V 型、W 型），擬選擇V 型安裝方法；3. 時差法超聲波測流量的原理，針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的問題，采用改進型算法將溫度影響在理論上消除；4. 單片機芯片的選擇，要求低功耗、低價格、芯片的功能能滿足本設計的所有要求；5.

15、 自檢報警模塊：擬采用蜂鳴器進行報警，對流量低于或高于規(guī)定閾值進行報警；6. 數(shù)據(jù)處理模塊：要求滿足不低于B 級精度（因選用高精度時間測量芯片TDC-GP2，精度可以滿足要求），也可以考慮多組測量之后進行處理，如選擇求取算術平均值作為最終測量結果；7. 測量結果顯示模塊設計：擬選擇LCM 液晶模塊；8. 各個模塊與單片機及TDC-GP2芯片的連接：單片機控制TDC-GP2芯片，進行適時的時間測量，從而調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊進行流量計算，同時調(diào)用自檢報警模塊進行報警，最后調(diào)用顯示模塊進行流量結果顯示。二、時差法超聲波流量計的理論研究2.1流量的基本概念流量是指單位時間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面的流體

16、量，又稱瞬時流量。當流體量以體積表示時稱為體積流量；當流體量以質(zhì)量表示時稱為質(zhì)量流量。單位時間通過流管內(nèi)某一橫截面的流體的體積，稱為該橫截面的體積流量。簡稱為流量，用Q 來表示。本課題所測為水的體積流量。體積流量Q 的計算式為：Q=v*A式中，A 為與流體流速相垂直的管道橫截面積，單位為; v為沿管道橫截面上的流體平均速度，m/s。 2.2超聲波換能器安裝方式簡介現(xiàn)在大多數(shù)超聲波流量計的安裝方式均采用夾裝式，即將超聲波探頭夾持固定，安裝在被測管道的管壁上，對于單聲道的流量計，其僅有兩個超聲波探頭，其安裝方式大體可以分為四種，分別為V 法、Z 法、N 法和W 法。（NO 低功耗） 圖2-1 V法

17、安裝示意圖V 法安裝的應用最多，它的特點是使用方便、測量準確，可測管徑范圍為25mm-3000mm 左右。安裝時需要注意兩個探頭要水平對齊，要求其中心線與管道中心線要水平成一線。其安裝示意圖見圖2-1。當管道的管徑較大，或液體中有懸浮物、管道結垢或管道襯里很厚時，V 法安裝可能就無法正常工作了，這時就要選擇Z 法安裝。如圖2-2所示，超聲波在管道中直接傳播，不發(fā)生折射。 圖2-2 Z法安裝示意圖N 法安裝適用于測量小管徑的管道，超聲波波束在管道中折射兩次，三次穿過流體，這種方法可以提高測量精度。其安裝示意圖可參考圖2-3。 圖2-3 N法安裝示意圖W 法安裝方式的原理同N 法一樣，也是通過延長

18、超聲波傳輸距離的辦法來提高測量精度，這種方法適用于管徑小于50mm 的小管徑管道，如圖2-4所示，這種安裝方式使得超聲波波束在管道內(nèi)折射了三次，穿過了流體四次。 圖2-4 W法安裝示意圖以上此種超聲波換能器的安裝方式中，Z 法和W 法的使用相對較多。當測量較大管徑的管道流體速度時可以選用Z 法，當測量較小管徑的管道流體速度時可以選用W 法，本文設計的超聲波流量計應用在方面，管徑相對較大，故采用V 法安裝方式。2.3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系，因此測出時間的差

19、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。從圖2-5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，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流和逆流傳播時間差就可以間接測得流體的流速，進而計算出流量值。 圖2-5 時差法超聲波流量計測量原理圖時差法超聲波流量計測量的是超聲波在流體中的傳播時間，通過測量超聲波在順流和逆流時的傳播時間差t 來獲得流體的流量，具體原理如下: 設超聲波順流傳播時間為:cos sin /1v c D t += （1.1） 超

20、聲波逆流傳播時間為：cos sin /2v c D t -= （1.2）其中D 為管道直徑，v 為被測流體的流速，c 為超聲波在靜止流體中的傳播速度，為超聲波發(fā)射角度。式(1.1與式(1.2相減得：超聲波順逆流的傳播時間差t 為:22212cos sin cos 2v c Dv t t t -=-= （1.3）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:2222cos cv v - （1.4）則(1.3式可以簡化為: tan 22c Dc t = （1.5） 將(1.5中的v 移到等式的左邊可以得到其計算公式: t Dc v =2tan 2 （1.6）

21、 在式(1.6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、時間差t 有關，而D 與視為系統(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:KDc K v D Q 8tan 422=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。在非理想狀況下，管壁傳播時間、流場分布等因素將會影響測量結果，直接造成按照理論計算得到的結果不準確。影響時差法超聲波流量計

22、測量精度的因素可以概括為以下幾點:(1折射定律的影響。聲波在不同的介質(zhì)表面發(fā)生入射時會發(fā)生折射，在這里，聲楔、管壁以及管道內(nèi)部的流體介質(zhì)不同會發(fā)生折射，由此會產(chǎn)生一定的時間差。(2發(fā)射驅(qū)動造成的時間上的差異。當單片機傳來的脈沖信號分別傳遞到換能器A 和B 時，由于A 和B 是兩個不同的換能器，即使型號相同，也不可能做到兩個換能器在性能上絕對一致，這就造成了信號發(fā)射造成的時間差。(3信號接收過程造成的時間差。兩個換能器有兩個接收通道，兩個接收通道不一定完全對稱，這就會造成接收信號中有額外的時間差混入。除了以上幾點，還有可能影響時差法超聲波流量計測量精度的因素還包括在實際應用中，工業(yè)管道中流體的流

23、動情況十分復雜，管道內(nèi)外的溫度也可能有較大的差別，影響時差法超聲波流量計測量精度的因素可以概括為溫度變化、流速分布不均勻、管壁厚度、聲路延遲等諸多因素。由于現(xiàn)在大多數(shù)的超聲波流量計在實際應用中多采用外夾式探頭，所以對于其探頭凹進處流速的變化這一因素可以不予考慮。如果電路、聲路采用近似對稱的設計的話，對于電、聲路的傳播延遲這一影響因素也可以不予考慮。最后可以將流量計的誤差集中在溫度變化的影響上，故設計中應著重考慮這方面的因素，采取相應措施避免影響。對于溫度對流速的影響，從推導出的公式可以看出，其中包含的聲速c 受溫度變化的影響是比較大的，當管道內(nèi)外的流體溫度和環(huán)境溫度相差較小時這種影響可以忽略不

24、計，但當這種溫度的差別較大時，這個參數(shù)將大大的影響流速的測量結果。欲解決溫度因素對流速c 的影響問題，我們采用改進型時差法。本文采用的超聲波換能器安裝方式為V 型安裝，以下以V 型安裝為例進行改進型時差法的原理介紹。在V 型安裝下，由于超聲波傳播路徑是同管徑同半路徑的Z 型安裝的2倍，超聲波順流、逆流傳播時間也為Z 型安裝時的2倍，式子如下：1cos 2sin t d v C =+2cos 2sin t d v C =- 其中為順流時的傳播時間，為逆流時的傳播時間將兩式分別變形為以下形式： 2sin 22112d t t t t v -=dv Q = 此時得到的計算式從理論上將C 消去了，進而

25、在理論上避免了溫度對流體流速測量的影響，即避免了對流量測量的影響。 方案確定：基于以上理論分析和研究，本文設計的超聲波流量計使用時差法原理，V 型安裝，按照改進型計算方法進行數(shù)據(jù)處理，避免溫度這一關鍵影響因素的影響，盡可能提高本設計的測量精度。由改進型算法推導出的v 的計算式可以看到，當管道及超聲波探頭安裝完畢后，D 和兩個參數(shù)便確定，影響v 的只有超聲波 順流逆流傳播時間和，若這兩個時間測量精度高則最終流量測量的精度也高，因此在選擇本設計的關鍵器件時鑒于此因素選用TDC-GP2高精度時間測量芯片，以此來提高整體精度。2.4本課題擬解決的關鍵問題（1）TDC-GP2芯片的技術指標及應用在流量測

26、量方面的使用方法；（2）TDC-GP2芯片高精度測量時間的基本原理；（3）實現(xiàn)超聲波流量測量功能的電路原理圖的繪制及模塊功能介紹；（4）單片機對TDC-GP2高頻脈沖發(fā)射端的控制，以形成順、逆流兩種發(fā)射狀態(tài)，進而測量出順、逆流兩個超聲波傳播時間用于求算出流量；（5）正確安裝超聲波探頭；（6）選擇合適并且經(jīng)濟實惠的單片機、LCM ；（7）能正確顯示、報警，完成既定功能。三、時差法超聲波流量計的硬件電路設計3.1高精度時間測量芯片TDC-GP2的介紹TDC-GP2 是ACAM 公司通用TDC 系列的新一代產(chǎn)品。它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業(yè)應用領域。TDC-GP2芯片有兩個測

27、量范圍，本設計采用測量范圍2： 單通道，典型分辨率可達50ps rms 測量范圍500ns 4ms 間隔脈沖對分辨能力為兩個校準時鐘周期，可進行3次采樣 輸入信號可以選擇上升沿/下降沿單獨觸發(fā)，或者上升沿和下降沿同時觸發(fā) 3 次采樣中分別由三個去噪聲窗口過濾 數(shù)字TDC 是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進行高精度時間間隔測量的。在測量范圍2 中采用前置配器來擴展可測量的最大時間間隔，分辨率保持不變。在此模式下，TDC 的高速單元并不測量整個時間間隔，僅僅測量從START 或STOP 信號到相鄰的基準時鐘上升沿之間的間隔時間（fine-counts ）。在兩次精密測量之間，TDC 記下基準時鐘

28、的周期數(shù)（coarse-count ）。 圖3-2 TDC-GP2時間測量原理圖3.2低功耗單片機STC 介紹STC89C51RC/RD+系列單片機是STC 推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇，HD 版本和90C 版本內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。此系列單片機的特點如下：（1）增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；（2）工作電壓：5.5V-3.3V （5V 單片機）/3.8V-2.0V（3V 單片機）；（3）工作頻率范圍：0-40MH

29、z ，相當于普通8051的0-80MHz ，實際工作頻率可達48MHz ；（4）用戶應用程序空間：4K/8K/13K/16K/32K/64K字節(jié)；（5）片上集成1280字節(jié)或512字節(jié)RAM ；（6）通用I/O口（35/39個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）；P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻；（7）ISP （在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；（8）有EEPROM 功能；（9）

30、看門狗；（10）內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，外部晶體20M 以下時，可省外部復位電路；（11）共3個16為定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用；（12）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；（13）通用異步串行口（UART ），還可用定時器實現(xiàn)多個UART ；（14）工作溫度范圍：-40-+85（工業(yè)級）/0-75（商業(yè)級）；（15）封裝：LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。內(nèi)部結構： 本文所選單片機為此系列中的常用一款：STC89C58RD+，其特點及內(nèi)部結構等等均與上述介紹

31、相同。其管腳圖如下： 選用STC 單片機的理由：降低成本，提升性能，原油程序直接使用，硬件無需改動。最小應用系統(tǒng)： 3.3超聲波流量計的硬件電路解析本設計硬件電路分為六個部分，分別為：時間測量芯片TDC-GP2及其外圍電路、電路控制核心單片機STC89C58RD+、流量測量控制電路、電源穩(wěn)壓部分、LCM 顯示模塊、蜂鳴器報警部分和串口通信部分。時間測量芯片TDC-GP2的作用是測量超聲波在順、逆流時的精確傳播時間，其精度可以達到ps 級，完全滿足本設計測量精度B 級要求，其測量開始信號與結束信號分別由單片機和測量控制電路的過零比較器輸出端提供。電路控制核心單片機STC89C58RD+用于發(fā)出測

32、量命令，控制TDC-GP2芯片F(xiàn)IRE1或FIRE2端發(fā)出脈沖，并在TDC-GP2時間測量結束時讀取測量數(shù)據(jù)并在中斷服務程序中進行數(shù)據(jù)處理計算出瞬時流量值，還對流量值進行閾值報警以及LCM 顯示的控制。流量測量控制電路用于控制超聲波的順逆流發(fā)射狀態(tài)以及接收超聲波信號后對其進行濾波放大處理。它由模擬開關、過零比較器、異或門和濾波部分組成。通過單片機對模擬開關的使能控制，可以確定超聲波發(fā)射時的狀態(tài)，即順流狀態(tài)或逆流狀態(tài)；異或門作為兩輸入單輸出的邏輯器件可以保證FIRE1和FIRE2端發(fā)射的脈沖都可以輸入到TDC-GP2芯片的START 端作為測量開始信號；濾波部分可以濾除接收到的超聲波信號的低頻噪

33、聲；過零比較器由放大器組成，將接收到的超聲波信號輸出為TDC-GP2芯片可以識別的矩形波脈沖信號，以此信號作為測量結束信號輸出給STOP1端。電源穩(wěn)壓部分可以準確穩(wěn)壓出3.3V 電壓，此電壓可以供給單片機、TDC-GP2使用。LCM顯示模塊、蜂鳴器報警部分屬于本設計的輔助部分，它們均由STC89C58RD+控制，分別實現(xiàn)流量值顯示和報警功能。串口通信部分用于單片機和上位機進行通信，本設計沒有過多研究，僅在硬件上加以表示。 TDC-GP2芯片的外圍連接電路圖TDC-GP2芯片外接兩個晶振，其中4MHz 高速晶振用于時鐘校準及在測量范圍2中作為時間測量的一部分，32.768MHz 晶振用于內(nèi)部定時

34、。TDC-GP2芯片的START 引腳用于接收時間測量開始脈沖信號，STOP 引腳用于接收時間測量停止信號。本系統(tǒng)中選用測量范圍2測量模式，在測量范圍2中TDC-GP2芯片只需開通STOP1通道，STOP2與EN_STOP2引腳接地以關閉STOP2通道。FIRE1與FIRE2引腳用于發(fā)射超聲波脈沖信號，分別用于激勵上、下游換能器發(fā)射超聲波信號。TDC-GP2芯片的中斷返回引腳INTN 、SPI 總線引腳SSN 、SCK 、SI 、SO 和軟件復位引腳RSTN 分別與單片機STC89C58RD+的I/O 引腳相連。FIRE1和FIRE2引腳分別與上下游超聲波換能器相連，通過STC89C58RD+

35、的控制各自發(fā)射高頻脈沖，這兩個引腳也與測量控制電路部分相連，由測量控制電路部分和單片機協(xié)同控制超聲波在順逆流時傳播時間的精確測量。具體測量過程在測量控制部分介紹。本系統(tǒng)的硬件電路中對TDC-GP2芯片的供電是直流3.3V ，此電壓是由電源穩(wěn)壓模塊提供的，直接穩(wěn)壓出質(zhì)量較高的3.3V 電壓供給芯片使用。 本設計選用STC89C58RD+的原因：減低成本、提升性能。原有程序直接使用，硬件無需改動。選用LQFP44封裝。其工作電壓為3.3V-5.5V ，本設計提供的是直流3.3V 電壓，此電壓也是由電源穩(wěn)壓模塊提供。單片機STC89C58RD+的主要工作：首先，單片機在進行測量時需要對TDC-GP2

36、芯片的參數(shù)進行配置以及初始化；之后，單片機需要控制TDC-GP2的FIRE1和FIRE2引腳在順逆流測量時分別發(fā)射高頻脈沖，順逆流狀態(tài)的確定是由模擬開關實現(xiàn)的，而模擬開關也是由單片機的I/O口控制，分別在順流和逆流時進行狀態(tài)切換，使TDC-GP2實現(xiàn)順逆流時間的測量；其次，單片機需要在TDC-GP2芯片接收到STOP 信號并發(fā)出中斷請求時進行響應，響應過程如下：先從TDC-GP2芯片中讀取出測量時間值（順逆流的兩次均需要分別讀?。?，然后調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，把TDC-GP2測量出的和代入已經(jīng)編制好的數(shù)學表達式中，由此求取出瞬時流量值。對于求取的流量值，單片機還需要調(diào)用LCM 顯示子程序?qū)ζ溥M行顯

37、示，同時調(diào)用蜂鳴器報警子程序檢測流量值是否需要報警。最后，單片機還需要做的工作是與上位機進行通信，它可以將流量信息進行存儲以備上位機查詢使用。這一部分屬于擴展部分，本設計沒有進一步研究。 電路圖介紹：U3、U4模擬開關，控制順逆流狀態(tài)； U5異或門，雙輸入單輸出器件，相當于線選，分別使FIRE1、FIRE2引腳的信號進入START 引腳；U6運算放大器，構成過零比較器，相當于放大整形。控制測量過程：（1）順流狀態(tài)：單片機P4.3引腳輸出一高電平信號控制電子開關芯片U3處于關閉狀態(tài)，P3.4引腳輸出一低電平控制電子開關芯片U4處于開啟狀態(tài)。此時為使上游探頭處于發(fā)射、下游探頭處于接受狀態(tài)，使單片機

38、控制TDC-GP2芯片只從FIRE1脈沖輸出端發(fā)出脈沖信號，該信號激勵上游探頭發(fā)射出超聲波信號，同時通過U5異或門輸出START 信號，TDC-GP2接收到START 信號便開始計時。由上游傳播到下游被下游探頭接收到（U4處于開啟狀態(tài)）的超聲波信號通過U4經(jīng)由RC 濾波（濾除低頻噪聲影響），此處組成的為一階無源高通濾波電路，截止頻率約為0.8MHz 。在經(jīng)過由U6構成的過零比較器輸出TDC-GP2可以識別的方波，輸出給STOP 引腳，TDC-GP2停止計時。再有TDC-GP2內(nèi)部算術邏輯單元計算出START 和STOP 之間的時間，即為順流傳播時間。（2）逆流狀態(tài)：過程與順流狀態(tài)是相同的，只是模擬開關要反轉狀態(tài)，使上游、下游探頭處于逆流狀態(tài)，單片機控制使FIRE2發(fā)射高頻脈沖。經(jīng)過一系列過程得到逆流傳播時間。由單片機分別取出兩次測量數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序計算出流量，再調(diào)用LCM 顯示子程序及蜂鳴器報警子程序，完成既定功能。 ASM1為3.3V 穩(wěn)壓器，此部分可以得到穩(wěn)定的3.3V 電壓，供給TDC-GP2和STC89C51RD+使用。此部分相當于本設計的電源模塊。 本設計采用的是14 位8 段微功耗液晶顯示模塊LCM141C-01。LCM141C-01 為14 位8 字加