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1、超声波流量计的设计-毕业（完整版）资料(可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载）学号：xx理工学院毕业论文题目：超声波流量计的设计摘要超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多不完善的地方，比如成本较高、精度不够等，有必要对其加以改进和提高。 本设计与传统的机械式流量仪表不同，它具有机械式仪表所不具备的优点，而且因其
2、采用高精度时间测量芯片TDC-GP2进行时间测量，保证了测量的精度。本设计采用时差法原理进行测量流体流速，进而计算出瞬时流量。论文从流量计的发展历史和背景到超声波流量计的原理、特点以及国内外发展概况，详细地介绍了超声波流量计。另外，论文又详细研究了时差法超声波流量计的理论知识，并在理论基础上研究了超声波流量计的硬件电路与软件部分，其中所用的高精度时间测量芯片TDC-GP2以及单片机STC89C58RD+是本设计的核心部分。本设计成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，有较广阔的研究前景。绪论1.1流量计的发展历史与现状概述数千年前，人们为了适应水利和农业灌溉的需要，就已经开始关注流量测量的问
3、题。流量测量作为人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它不仅广泛用于农业和水利，也广泛用于化工、石油、冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。最早的流量测量发生在公元前1000年，古埃及人通过对尼罗河流量的测量来预计当年收成的好坏，古罗马人利用孔板测量的方法在修建引水渠时进行流量测量。而到目前为止，流量计的发展也有了几百年的时间，早在1738年，瑞士人丹尼尔伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886年，美国人郝谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装
4、置。20世纪初期到中期，原有的流量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。自1910年起，美国开始研制测量明沟中水流量的槽式流量计。1992年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。1911-1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论。30年代，又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展，直到1955年才出现应用声循环法的马克森流量计，用于测量航空燃料的流量，1945年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。由于经济生产落后，直到20世纪50年代，工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。20世纪60年代以后，随着国际经济和科学技
5、术的不断发展，测量仪表开始向精密化、小型化方向发展。至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平。1.2超声波流量计概述超声波是指声音频率高于人耳听觉范围的声波，其频率大于20KHz，与一般声波相比，它的振动频率高，波长短，具有束射特性，可以定向传播，具有很强
6、的穿透能力，在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。为了消除声速变化对测量精度的影响，频差法超声波流量计应运而生，这种流量计的声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度高，测量范围广，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案。目前市场上管道式气体用的超声波流量计的最大管径可达到1100mm，最多的有6个声道，精度可以达到0.1的等级。夹持式气体用超声波的管径最大可达到1500mm，最多可以有8声道，精度在0.5%-1%测量值之间。今年国际市场较为引人注目的超声气应用，就是中国的西气东送项目。在这一世界最长的气体输送管线上，每年要输送超过40亿美金的天然气，总计有13套超声气
7、体流量计在这一管线应用。我国超声波流量计年产量90年代初估计为800-1000台。我国于94年正式出版了由中国计量科学院组织有关专家起草、分别经国家技术监督局和建设部批准的“JJG198-94速度式流量计”的国家计量检定规程(包括超声波流量计)JJG(建设)0002-94超声流量计(传播速度差法、多普勒法)的部门计量检定规程。这是我国超声波流量计发展的一个标志。我国目前的超声波流量计的研制和生产仍然是属于比较落后的，尽管这些年来国外很多大的超声波流量计生产企业纷纷进驻中国市场带动了国内相关领域的快速发展，出现了上文所提到的国内超声波流量计生产厂家，但总体上来讲，我们现有技术和生产水平仍是落后的
8、，与国际先进水平存在较大的差距。目前国内超声波流量计市场的现状是:高精度超声波流量计依赖进口，低档产品过剩。超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测量，其测量范围对大多数液体介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径从小于1厘米到几米，工作温度从低温(如液态氧、液化天然气)到上千度的高温，允许工作压力从接近真空到几百个大气压，其响应时间从几毫秒到24小时。和传统的流量计相比，超声波流量计有以下突出的优点：1.结构简单，安装、使用和维护方便。超声波流量计可以夹持在管道外侧安装，无需对管道进行改动，这给临时检查管内的流量提供了方便。2.适用于大型圆形管道和矩形管道，原理上不受
9、管径限制，通用性好，同一仪表可以测量不同管径的管道流量，使用时不必严格考虑管材和壁厚，且其造价基本上与管径无关，更适合于大管径、大流量的场合。3.待测液体只要可以传播声波就可以对其进行管外测量。这种非接触测量方法无压力损失，不破坏流场，部件不受流体腐蚀和磨损。4.可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟量或数字量输出。5.对介质几乎无要求，只要能传播声波的流体皆可用超声波流量计测量流量，因而适用于多种流体，除了水、石油等常见流体外，尤其适用于其他方法不便测量的情况，例如高温高压、腐蚀性液体、高粘度液体或气体等;而它可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。6
10、.除测量流速和流量外，与微机联合使用，使其智能化后，可以进行各种管道、流体参数的设置，还可以自动地对流体的其他参数(如成份、浓度、速度面等)进行综合测量。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示两部分组成，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。超声波流量计有多种分类方法，主要有：（1）按照安装方式分类：外夹式、插入式、管段式。 外夹式传感器安装时需要将管外壁的拟安装位置打磨光滑后用耦合剂将传感器（探头）贴于管外壁再用专用夹紧装置固定。该方式能方便地在管外进行水流量测量，也适合便携式。缺点是易因耦合剂的处置不当引起信号接收状态恶变而影响测量的稳定性。插入式传感器安装时用钻孔工
11、具在不停产状态下将传感器(探头)插入管路中。优点是能在水管内壁结垢或水中带气情况下实现稳定可靠的测量。管段式传感器安装时需要切开选定的直管段，采用法兰联接。产品已经过专门出厂标定，好处是传感器可以不停产进行维修，特点是测量准确度高。（2）按照测量原理不同分类（常用）：多普勒超声波流量计和时差法超声波流量计。多普勒超声波流量计是利用相位差法测量流速，即超声波在流体中运动，由于液体本身有一运动速度，导致超声波在接收器与发射器之间的频率或相位发生相对变化，通过测量这一相对变化就可获得液体速度；时差型是利用时间差法测量流速，即超声波传播速度由于流体流动而使得其在接收器与发射器之间传播时间发生变化，通过
12、测量此时间变化就可获得流体流速。多普勒超声波流量计的原理：换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到换能器2，f2与f1之差即为多谱勒频差。设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移正比于流体流速v，则当管道条件、换能器安装位置、发射频率和声速确定以后，c、f1、即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。时差式超声波流量计的原理：时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。如下图，换能器1向换能器2发射超声波信号，这是顺流方向，其
13、传播时间为：反之，逆流方向的传播时间为： 时间差为：由于cv，故所以，流体流速其中c、L、均为常数，测得时间差t即可求出流体流速v进而求得流体流量。（3）按照使用方式不同分类：固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。两者的主要区别如下：适用场合不同：固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用于对不同管道的流体流量作临时测量。1.3本课题的主要研究内容本文通过充分调研并查阅大量文献资料，选择基于TDC-GP2时间测量芯片的时间差法超声波流量计，主要研究内容如下：1.超声波传感器的技术指标及使用方法（拟选择使
14、用最广泛的压电型超声波传感器，选取两个收/发型超声波探头）；2.超声波探头的安装方式对比选取（Z型、V型、W型），拟选择V型安装方法；3.时差法超声波测流量的原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，采用改进型算法将温度影响在理论上消除；4.单片机芯片的选择，要求低功耗、低价格、芯片的功能能满足本设计的所有要求；5.自检报警模块：拟采用蜂鸣器进行报警，对流量低于或高于规定阈值进行报警；6.数据处理模块：要求满足不低于B级精度（因选用高精度时间测量芯片TDC-GP2，精度可以满足要求），也可以考虑多组测量之后进行处理，如选择求取算术平均值作为最终测量结果；7.测量结果显示模块设计：拟选
15、择LCM液晶模块；8.各个模块与单片机及TDC-GP2芯片的连接：单片机控制TDC-GP2芯片，进行适时的时间测量，从而调用数据处理模块进行流量计算，同时调用自检报警模块进行报警，最后调用显示模块进行流量结果显示。二、时差法超声波流量计的理论研究2.1流量的基本概念流量是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。当流体量以体积表示时称为体积流量；当流体量以质量表示时称为质量流量。单位时间通过流管内某一横截面的流体的体积，称为该横截面的体积流量。简称为流量，用Q来表示。本课题所测为水的体积流量。体积流量Q的计算式为：Q=v*A式中，A为与流体流速相垂直的管道横截面积，单位为;
16、 v为沿管道横截面上的流体平均速度，m/s。2.2超声波换能器安装方式简介 现在大多数超声波流量计的安装方式均采用夹装式，即将超声波探头夹持固定，安装在被测管道的管壁上，对于单声道的流量计，其仅有两个超声波探头，其安装方式大体可以分为四种，分别为V法、Z法、N法和W法。（NO低功耗）图2-1 V法安装示意图V法安装的应用最多，它的特点是使用方便、测量准确，可测管径范围为25mm-3000mm左右。安装时需要注意两个探头要水平对齐，要求其中心线与管道中心线要水平成一线。其安装示意图见图2-1。 当管道的管径较大，或液体中有悬浮物、管道结垢或管道衬里很厚时，V法安装可能就无法正常工作了，这时就要选
17、择Z法安装。如图2-2所示，超声波在管道中直接传播，不发生折射。图2-2 Z法安装示意图N法安装适用于测量小管径的管道，超声波波束在管道中折射两次，三次穿过流体，这种方法可以提高测量精度。其安装示意图可参考图2-3。图2-3 N法安装示意图W法安装方式的原理同N法一样，也是通过延长超声波传输距离的办法来提高测量精度，这种方法适用于管径小于50mm的小管径管道，如图2-4所示，这种安装方式使得超声波波束在管道内折射了三次，穿过了流体四次。图2-4 W法安装示意图以上此种超声波换能器的安装方式中，Z法和W法的使用相对较多。当测量较大管径的管道流体速度时可以选用Z法，当测量较小管径的管道流体速度时可
18、以选用W法，本文设计的超声波流量计应用在方面，管径相对较大，故采用V法安装方式。2.3时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素超声波流量计的基本原理是:利用超声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流速有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。本课题的研究对象是时差法超声波流量计，下面将具体介绍其测量原理。从图2-5所示的时差法超声波计的测量原理图中可以看出，两个超声波换能器分别安装在被测流体管径的两侧，通过一定的方式可以改变超声波在流体中的传播方向，通过测量超声波在流体中的顺流和逆流传播时间差就可以间接测得流体的流速，
19、进而计算出流量值。图2-5 时差法超声波流量计测量原理图时差法超声波流量计测量的是超声波在流体中的传播时间，通过测量超声波在顺流和逆流时的传播时间差t来获得流体的流量，具体原理如下:设超声波顺流传播时间为: （1.1）超声波逆流传播时间为： （1.2）其中D为管道直径，v为被测流体的流速，c为超声波在静止流体中的传播速度，为超声波发射角度。式(1.1)与式(1.2)相减得：超声波顺逆流的传播时间差t为: （1.3）由于超声波在静止流体中传播的速度c远远大于被测流体的实际流速v，即cv。因此可得: （1.4）则(1.3)式可以简化为: （1.5）将(1.5)中的v移到等式的左边可以得到其计算公式
20、: （1.6）在式(1.6)中，超声波在静止流体中的速度c通常取为常量，一般约为1500m/s，因此，被测流体的流速v只与参数D、超声波发射角度、时间差t有关，而D与视为系统参数，因此只要测得时间差t便可求得流速v，进而求得流量Q。对于圆形管道而言，流量计算公式为: 其中，K为流体流速修正系数。从上面的测量原理可以看出，只要测得超声波顺逆流的传播时间差t就可以计算得到流量值，因此，获得精度较高的t值才能得到高精度流量测量值。在非理想状况下，管壁传播时间、流场分布等因素将会影响测量结果，直接造成按照理论计算得到的结果不准确。影响时差法超声波流量计测量精度的因素可以概括为以下几点:(1)折射定律的
21、影响。声波在不同的介质表面发生入射时会发生折射，在这里，声楔、管壁以及管道内部的流体介质不同会发生折射，由此会产生一定的时间差。(2)发射驱动造成的时间上的差异。当单片机传来的脉冲信号分别传递到换能器A和B时，由于A和B是两个不同的换能器，即使型号相同，也不可能做到两个换能器在性能上绝对一致，这就造成了信号发射造成的时间差。(3)信号接收过程造成的时间差。两个换能器有两个接收通道，两个接收通道不一定完全对称，这就会造成接收信号中有额外的时间差混入。 除了以上几点，还有可能影响时差法超声波流量计测量精度的因素还包括在实际应用中，工业管道中流体的流动情况十分复杂，管道内外的温度也可能有较大的差别，
22、影响时差法超声波流量计测量精度的因素可以概括为温度变化、流速分布不均匀、管壁厚度、声路延迟等诸多因素。由于现在大多数的超声波流量计在实际应用中多采用外夹式探头，所以对于其探头凹进处流速的变化这一因素可以不予考虑。如果电路、声路采用近似对称的设计的话，对于电、声路的传播延迟这一影响因素也可以不予考虑。最后可以将流量计的误差集中在温度变化的影响上，故设计中应着重考虑这方面的因素，采取相应措施避免影响。对于温度对流速的影响，从推导出的公式可以看出，其中包含的声速c受温度变化的影响是比较大的，当管道内外的流体温度和环境温度相差较小时这种影响可以忽略不计，但当这种温度的差别较大时，这个参数将大大的影响流
23、速的测量结果。欲解决温度因素对流速c的影响问题，我们采用改进型时差法。本文采用的超声波换能器安装方式为V型安装，以下以V型安装为例进行改进型时差法的原理介绍。在V型安装下，由于超声波传播路径是同管径同半路径的Z型安装的2倍，超声波顺流、逆流传播时间也为Z型安装时的2倍，式子如下：其中为顺流时的传播时间，为逆流时的传播时间将两式分别变形为以下形式：此时得到的计算式从理论上将C消去了，进而在理论上避免了温度对流体流速测量的影响，即避免了对流量测量的影响。方案确定：基于以上理论分析和研究，本文设计的超声波流量计使用时差法原理，V型安装，按照改进型计算方法进行数据处理，避免温度这一关键影响因素的影响，
24、尽可能提高本设计的测量精度。由改进型算法推导出的v的计算式可以看到，当管道及超声波探头安装完毕后，D和两个参数便确定，影响v的只有超声波顺流逆流传播时间和，若这两个时间测量精度高则最终流量测量的精度也高，因此在选择本设计的关键器件时鉴于此因素选用TDC-GP2高精度时间测量芯片，以此来提高整体精度。2.4本课题拟解决的关键问题（1）TDC-GP2芯片的技术指标及应用在流量测量方面的使用方法；（2）TDC-GP2芯片高精度测量时间的基本原理；（3）实现超声波流量测量功能的电路原理图的绘制及模块功能介绍；（4）单片机对TDC-GP2高频脉冲发射端的控制，以形成顺、逆流两种发射状态，进而测量出顺、逆
25、流两个超声波传播时间用于求算出流量；（5）正确安装超声波探头；（6）选择合适并且经济实惠的单片机、LCM；（7）能正确显示、报警，完成既定功能。三、时差法超声波流量计的硬件电路设计3.1高精度时间测量芯片TDC-GP2的介绍TDC-GP2 是ACAM 公司通用TDC 系列的新一代产品。它具有更高的精度和更小的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。TDC-GP2芯片有两个测量范围，本设计采用测量范围2： 单通道，典型分辨率可达50ps rms 测量范围500ns4ms 间隔脉冲对分辨能力为两个校准时钟周期，可进行3次采样 输入信号可以选择上升沿/下降沿单独触发，或者上升沿和下降沿同时触发 3 次
26、采样中分别由三个去噪声窗口过滤图3-1 TDC-GP2内部结构图数字TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。在测量范围2 中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔，分辨率保持不变。在此模式下，TDC的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从START或STOP信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间（fine-counts）。在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数（coarse-count）。图3-2 TDC-GP2时间测量原理图3.2低功耗单片机STC介绍STC89C51RC/RD+系列单片机是STC推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完
27、全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择，HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。此系列单片机的特点如下：（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051；（2）工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）；（3）工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，实际工作频率可达48MHz；（4）用户应用程序空间：4K/8K/13K/16K/32K/64K字节；（5）片上集成1280字节或512字节RAM；（6）通用I/O口（35/39个），复
28、位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）有EEPROM功能；（9）看门狗；（10）内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；（11）共3个16为定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；（12）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Dow
29、n模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；（13）通用异步串行口（UART），还可用定时器实现多个UART；（14）工作温度范围：-40-+85（工业级）/0-75（商业级）；（15）封装：LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。内部结构：本文所选单片机为此系列中的常用一款：STC89C58RD+，其特点及内部结构等等均与上述介绍相同。其管脚图如下：选用STC单片机的理由：降低成本，提升性能，原油程序直接使用，硬件无需改动。最小应用系统：3.3超声波流量计的硬件电路解析本设计硬件电路分为六个部分，分别为：时间测量芯片TDC-GP2及其外围电路、电路控制核心单片机STC8
30、9C58RD+、流量测量控制电路、电源稳压部分、LCM显示模块、蜂鸣器报警部分和串口通信部分。时间测量芯片TDC-GP2的作用是测量超声波在顺、逆流时的精确传播时间，其精度可以达到ps级，完全满足本设计测量精度B级要求，其测量开始信号与结束信号分别由单片机和测量控制电路的过零比较器输出端提供。电路控制核心单片机STC89C58RD+用于发出测量命令，控制TDC-GP2芯片FIRE1或FIRE2端发出脉冲，并在TDC-GP2时间测量结束时读取测量数据并在中断服务程序中进行数据处理计算出瞬时流量值，还对流量值进行阈值报警以及LCM显示的控制。流量测量控制电路用于控制超声波的顺逆流发射状态以及接收超
31、声波信号后对其进行滤波放大处理。它由模拟开关、过零比较器、异或门和滤波部分组成。通过单片机对模拟开关的使能控制，可以确定超声波发射时的状态，即顺流状态或逆流状态；异或门作为两输入单输出的逻辑器件可以保证FIRE1和FIRE2端发射的脉冲都可以输入到TDC-GP2芯片的START端作为测量开始信号；滤波部分可以滤除接收到的超声波信号的低频噪声；过零比较器由放大器组成，将接收到的超声波信号输出为TDC-GP2芯片可以识别的矩形波脉冲信号，以此信号作为测量结束信号输出给STOP1端。电源稳压部分可以准确稳压出3.3V电压，此电压可以供给单片机、TDC-GP2使用。 LCM显示模块、蜂鸣器报警部分属于
32、本设计的辅助部分，它们均由STC89C58RD+控制，分别实现流量值显示和报警功能。串口通信部分用于单片机和上位机进行通信，本设计没有过多研究，仅在硬件上加以表示。电源模块蜂鸣器报警模块LCM显示模块上位机STC89C58RD+单片机TDC-GP2高精度时间测量芯片测量控制电路模块超声波换能器时间测量部分的核心TDC-GP2外围电路TDC-GP2芯片的外围连接电路图TDC-GP2芯片外接两个晶振，其中4MHz高速晶振用于时钟校准及在测量范围2中作为时间测量的一部分，32.768MHz晶振用于内部定时。TDC-GP2芯片的START引脚用于接收时间测量开始脉冲信号，STOP引脚用于接收时间测量停
33、止信号。本系统中选用测量范围2测量模式，在测量范围2中TDC-GP2芯片只需开通STOP1通道，STOP2与EN_STOP2引脚接地以关闭STOP2通道。FIRE1与FIRE2引脚用于发射超声波脉冲信号，分别用于激励上、下游换能器发射超声波信号。TDC-GP2芯片的中断返回引脚INTN、SPI总线引脚SSN、SCK、SI、SO 和软件复位引脚RSTN分别与单片机STC89C58RD+的I/O 引脚相连。FIRE1和FIRE2引脚分别与上下游超声波换能器相连，通过STC89C58RD+的控制各自发射高频脉冲，这两个引脚也与测量控制电路部分相连，由测量控制电路部分和单片机协同控制超声波在顺逆流时传
34、播时间的精确测量。具体测量过程在测量控制部分介绍。本系统的硬件电路中对TDC-GP2芯片的供电是直流3.3V，此电压是由电源稳压模块提供的，直接稳压出质量较高的3.3V电压供给芯片使用。本设计选用STC89C58RD+的原因：减低成本、提升性能。原有程序直接使用，硬件无需改动。选用LQFP44封装。其工作电压为，本设计提供的是直流3.3V电压，此电压也是由电源稳压模块提供。单片机STC89C58RD+的主要工作：首先，单片机在进行测量时需要对TDC-GP2芯片的参数进行配置以及初始化；之后，单片机需要控制TDC-GP2的FIRE1和FIRE2引脚在顺逆流测量时分别发射高频脉冲，顺逆流状态的确定
35、是由模拟开关实现的，而模拟开关也是由单片机的I/O口控制，分别在顺流和逆流时进行状态切换，使TDC-GP2实现顺逆流时间的测量；其次，单片机需要在TDC-GP2芯片接收到STOP信号并发出中断请求时进行响应，响应过程如下：先从TDC-GP2芯片中读取出测量时间值（顺逆流的两次均需要分别读取），然后调用数据处理子程序，把TDC-GP2测量出的和代入已经编制好的数学表达式中，由此求取出瞬时流量值。对于求取的流量值，单片机还需要调用LCM显示子程序对其进行显示，同时调用蜂鸣器报警子程序检测流量值是否需要报警。最后，单片机还需要做的工作是与上位机进行通信，它可以将流量信息进行存储以备上位机查询使用。这
36、一部分属于扩展部分，本设计没有进一步研究。流量测量控制电路电路图介绍：U3、U4模拟开关，控制顺逆流状态；U5异或门，双输入单输出器件，相当于线选，分别使FIRE1、FIRE2引脚的信号进入START引脚；U6运算放大器，构成过零比较器，相当于放大整形。控制测量过程：（1）顺流状态：单片机P4.3引脚输出一高电平信号控制电子开关芯片U3处于关闭状态，P3.4引脚输出一低电平控制电子开关芯片U4处于开启状态。此时为使上游探头处于发射、下游探头处于接受状态，使单片机控制TDC-GP2芯片只从FIRE1脉冲输出端发出脉冲信号，该信号激励上游探头发射出超声波信号，同时通过U5异或门输出START信号，
37、TDC-GP2接收到START信号便开始计时。由上游传播到下游被下游探头接收到（U4处于开启状态）的超声波信号通过U4经由RC滤波（滤除低频噪声影响），此处组成的为一阶无源高通滤波电路，截止频率约为0.8MHz。在经过由U6构成的过零比较器输出TDC-GP2可以识别的方波，输出给STOP引脚，TDC-GP2停止计时。再有TDC-GP2内部算术逻辑单元计算出START和STOP之间的时间，即为顺流传播时间。（2）逆流状态：过程与顺流状态是相同的，只是模拟开关要反转状态，使上游、下游探头处于逆流状态，单片机控制使FIRE2发射高频脉冲。经过一系列过程得到逆流传播时间。由单片机分别取出两次测量数据，
38、调用数据处理子程序计算出流量，再调用LCM显示子程序及蜂鸣器报警子程序，完成既定功能。电源稳压部分的电路ASM1为3.3V稳压器，此部分可以得到稳定的3.3V电压，供给TDC-GP2和STC89C51RD+使用。此部分相当于本设计的电源模块。显示模块的电路本设计采用的是14 位8 段微功耗液晶显示模块LCM141C-01。LCM141C-01 为14 位8 字加条码提示符液晶显示模块，3-4 线串行接口，可与任何单片机、接口IC接口，微功耗特性：显示状态4A（典型值），省电模式（不显示状态）1A，工作电压2.75.2V，显示灰度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单。该模块特别适用于流量、温度
39、、压力等仪表，可加背光。同时适用于其他微功耗产品：智能煤气表、电表、水表、热能表，手持便携仪表，通讯， 及计费，税务，仪器仪表，加油机，医疗保健仪器，运动器材，家电，电子秤，遥控器，智能充电器，玩具等。LCM141C-01的管脚图表：此部分可以用于单片机和上位机通信。MAX232芯片是接口转换芯片，把TTL电平转换为RS232电平，使其与PC机兼容。四、时差法超声波流量计的软件设计时差法超声波流量计的设计是由软硬件共同组成的，二者缺一不可。硬件担当整个功能实现的基础，而软件则是通过硬件最终实现全部功能的桥梁。本设计的软件部分采用模块化编程，共分为以下几个模块：初始化子程序、测量子程序、数据处理
40、子程序、LCM显示子程序和蜂鸣器报警子程序。4.1单片机STC89C58RD+软件设计在进行软件设计时，需要规划软件部分应该实现的各项功能。本设计完成的功能：首先，软件有三个平行的中断源。一个是用于响应外部测量命令的，即当外部需要本系统进行流量测量时便给单片机一个外中断信号，由单片机响应此中断并进行流量测量；另一个是用于自检功能，即由单片机内部的定时器定时（可设定定时时间），当定时时间到，便进行一次流量测量，由此周而复始，形成流量自检；最后一个是用于响应TDC-GP2的，当TDC-GP2时间测量结束时便给单片机发出一个中断，单片机响应此中断，便从TDC-GP2中读取测量数据进行后续处理。这三个
41、中断有两个是单片机的外中断，一个是单片机内部定时器中断，三个中断由单片机默认的优先级顺序进行处理。外部测量命令的发出可以通过在单片机STC89C58RD+的P3.3（INT1）引脚加上开关，每次按下开关便给单片机发出一个命令，即发出中断，单片机响应此中断去调用测量程序进行流量测量。在测量过程中，需要对TDC-GP2进行参数设置、初始化，对测量控制电路中的模拟开关进行设置，在时间测量结束后需要调用各个部分的子程序完成数据处理、显示和报警。开始配置TDC-GP2参数及初始化NSTOP1接收到信号？设置模拟开关及控制FIRE1发射脉冲Y读取逆流时间测量值并暂存STOP1接收到信号？N调用数据处理子程
42、序求出流量QY调用LCM显示子程序显示Q读取顺流时间测量值并暂存调用蜂鸣器报警子程序设置模拟开关及控制FIRE2发射脉冲结束结论超声波流量计以其独特的优点在工业界获得了广泛应用，但由于超声波流量 计本身的特点，它在某些方面还存在很多不足，主要是测量的精度不高，易受测量环境的影响，稳定性和可靠性较差；价格较为昂贵。 一、根据超声波的传播特性及工作环境的抗干扰要求，设计了一种基于多脉冲的时差法超声波流量计，对其硬件电路进行了详细的分析，设计出了匹配性能良好的发射、接收电路及能提高信号可靠性的信号调理电路，如放大、滤波等电路，使得信号的准确性得到了保障；二、同时给出了具体的电路原理图，此外，在设计中
43、，通过改进算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响。 三、我用Proteus完成了超声波流量计设计的电路原理图,经过调试,电路没有错误,说明了设计采用的多脉冲的时差法是可行的,设计基本能达到要求。致谢我首先要感谢我的指导老师xx老师，本课题的研究工作是在他的精心指导和悉心关怀下完成的，周老师浓厚的学术造诣、严谨的治学态度使我受益匪浅。从尊敬的魏老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理以及对待学问要谨慎踏实不怕困难的精神。值此论文完成之际，谨向我的指导老师致以最衷心的感谢，并祝魏老师身体健康、工作顺利、桃李满天下。A. 对视图的使用与表一样，也可以进行插入、查询、删除、修改操作【答案】Cset talk on【答案】DD. UPDATE FROM选课SET成绩=92 WHERE学号=” AND课程号=”102”参考文献英语 N 5 1 存放英语成绩2.吴元良，姚骏，李斌. TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法A. DROP TABLE B. DELETE TABLEmax2=max(a,b)C. 两个自由表 D. 一个是数据库表另一个是自由表A. 在数据库中，可以包含表,视图,查询以及表间永久关系7.周子清，陆品桢.超声波流量计国内外发展概况.自动化仪表.1982年第3期.