1、基于单片机的超声波流量计的设计摘要：超生波的流量检测是根据超声波在流动的流体中传播的过程中会载有流体的流速信息这一原理，通过简便、可靠的信号处理方法，把这个流速信息转换成流量信息。本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量检测技术的基础上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件的设计思想。超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被水利、电力、冶金、选矿、选煤等部门广泛应用,经常需要精确计量和控制液体的流速和流量。测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表，它是工业测量中重要的仪表之一。超
2、声波流量计与以往传统的流量计相比，具有很多优点，是一种非常理想的节能型流量计。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。本设计以单片机AT89S51为主控芯片，通过对超声波的深入研究，利用时差法实现了对流量的测量，另外本设计通过对系统软硬件的合理设计，提高了系统的精度及系统稳定性。关键字：单片机，AT89S51，超声波，流量计，时差法IUltrasonic flow meter based on the design of single chipAbstract：The ultrasonic flow measureme
3、nt technologys operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquids flow velocity, and then, the signal will be used to compute the flow. The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On
4、basis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. Ultrasonic flow meter has been widely used in waterworks, electricity, metallurgy and mineral processing in virt
5、ue of its many advantages, such as non-contact, wide measurement scope, convenience of installation, especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment. It often requires precise measurement and control of liquid flow rate and flow. Measurement of fluid flow meter
6、or instrument referred to as flow meter, which is an important instrument of industrial measurement one. Ultrasonic flow meter, compared with previous conventional flow meter has many advantages, is an ideal energy-saving flow meter. Application of more current measurement ultrasonic flow meter are
7、time difference, the Doppler effect method, correlation, noise method, the beam offset law, including the most common application of time difference. The design for the main chip microcontroller AT89S51, through in-depth study of ultrasound, the use of transit-time flow measurement realized, while t
8、he design of the system through the rational design of hardware and software to improve the system accuracy and system stability.Keywords: microcontroller, AT89S51, ultrasonic, flow meter, transit-timeII目录1 绪 论 .11.1 选题依据及研究意义 .11.2 超声波的概述 .21.2.1 超声波的相关概念 .21.2.2 超声波的研究发展和应用 .21.3 流量计概述 .31.3.1 流量的
9、定义 .31.3.2 超声波流量计的原理与分类 .31.3.3 流量的测量仪器 .61.3.4 流量计的发展现状 .71.4 本设计的设计目标及研究内容 .82 超声波流量计的总体设计 .92.1 传感器概述及其特性 .92.2 超声波换能器概述 .92.2.1 超声波换能器能量转换原理 .92.2.2 超声波换能器的简介及主要性能指标 .102.3 超声波换能器的选择及设计 .112.3.1 超声波换能器的主要参数 .112.3.2 超声波换能器的安装方式及选择 .122.4 流量计总体设计框图 .133 超声波流量计硬件设计 .143.1 单片机系统 .143.1.1 单片机的选择 .14
10、3.1.2 AT89S51 单片机简介 .153.2 显示电路的设计 .173.2.1 LED 显示器的结构和原理 .173.2.2 共阴极 LED 结构及显示原理 .183.3 按键调节电路的设计 .19III3.4 超声波收发电路的设计 .213.4.1 超声波发射电路的设计 .213.4.2 超声波接收电路的设计 .233.5 电源电路的设计 .243.6 报警电路设计 .244 系统软件程序设计 .254.1 软件设计概述 .254.2 编程语言的选用 .264.3 主要功能函数的实现 .264.3.1 主函数 main .264.3.2 超声波时差读取函数 .274.3.3 显示函数
11、 .284.3.4 按键处理函数 .284.4 系统流程图 .305 系统仿真 .32结 论 .35致 谢 .36参 考 文 献 .37附 件 一：超声波流量计的程序 .38附 件 二 系统总原理图 .4501 绪 论1.1 选题依据及研究意义流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是再生能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。流量测量技术和仪表类型繁多，测量对象复杂多样，决定了流量测量仪表在应用技术上的复杂性。它与传统
12、意义上度量衡计量器具的应用有很大差别，它不是简单地将流量计安装好，开表投运就一定能达到测量目的。有两位专家对现场装用着的千余台流量仪表进行调查，发现约有 60%所选择的测量方法不是最合适或不正确的，其余的 40%中，约有一半虽然测量方法合适，却存在现场布置和安装的不合理现象，这些不合适、不正确和不合理，带来了相应地测量误差。因此，流量测量是一种强烈依赖于使用条件的测量，在实验室，流量计可以得到极高地精确度，但是在使用现场，一旦流体条件或环境条件有大的变化，不仅精确度无法保证，甚至无法进行正常测量。超声波流量计的产生就避免了这很多问题，对流量测量有着深远的影响和重大意义。目前，发达国家的超声波多
13、普勒流量计发展较快，主要体现在微机软件的开发应用、测量技术的提高和综合技术应用等方面。以美国 Controlotron 公司和 Ploysonics 公司为代表的产品较多的用数字信号处理技术，如“同步调制”和 FFT 技术，他们广泛的采用以DSP 为核心的数字处理电路，从而能够更实时的处理超声波信号，同时能够实现一些复杂的算法，如 Ploysonics 公司的 DDF3088 型是该公司的新一代全数字化便携式多普勒流量计，它采用了数字滤波和数字频谱分析技术，能自动识别多普勒信号与噪声信号，抗干扰能力强，采用了高分辨率的液晶显示，可以现场对信号进行多普勒分析。仪表的整体性能在不断提高，应用范围也
14、在不断扩大，在储存、显示和输出等方面也有新的发展。在国内，超声波多普勒流量测量近年来无论是在数学模型还是在信号处理方法上都取得了一定的进展，但总的来说这些进展主要局限于医学领域，工业超声波多普勒管道流量测量的研究水平不高，导致现有工业管道用超声波多普勒流量计的性能普遍不高，相比较时差式超声波流量计、质量流量计、电磁流量计等其它流量计而言精度比较低。这些缺点极大限制了超声波多普勒流量计的推广和使用。目前，超声波多普勒量计一般只在一些特殊场合下使用，比如便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等。一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。
15、我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其它发达国家相比还存在距离。但是，我国的科研人员能够克服很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是趋势。时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得超短时间的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流1量计的发展产生了极大的推动。1.2 超声波的概述1.2.1 超声波的相关概念我们生活的世界充满了各种声信号，人们可听到的声音频率为20Hz一20KHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波；频率高于人类听觉上限频率(约2
16、0KHz)的声波，称为超声波，或称超声。声波的速度越高，越与光学的某些特性如反射定律、折射定律相似。超声波是一种机械波，它方向性好、穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。超声波用于流体和气体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化等。超 声 波 在 媒 质 中 的 反 射 、 折 射 、 衍 射 、 散 射 等 传 播 规 律 ， 与 可 听 声 波 的 规 律 并 没有 本 质 上 的 区 别 。 但 是 超 声 波 的 波 长 很 短 ， 只 有 几 厘 米 ， 甚 至 千 分 之 几 毫 米
17、。 与 可 听 声波 比 较 ， 超 声 波 具 有 许 多 奇 异 特 性 ： 传 播 特 性 超 声 波 的 波 长 很 短 ， 通 常 的 障 碍 物的 尺 寸 要 比 超 声 波 的 波 长 大 好 多 倍 ， 因 此 超 声 波 的 衍 射 本 领 很 差 ， 它 在 均 匀 介 质 中 能 够定 向 直 线 传 播 ， 超 声 波 的 波 长 越 短 ， 这 一 特 性 就 越 显 著 。 功 率 特 性 当 声 音 在 空 气中 传 播 时 ， 推 动 空 气 中 的 微 粒 往 复 振 动 而 对 微 粒 做 功 。 声 波 功 率 就 是 表 示 声 波 做 功 快慢 的 物
18、 理 量 。 在 相 同 强 度 下 ， 声 波 的 频 率 越 高 ， 它 所 具 有 的 功 率 就 越 大 。 由 于 超 声 波 频率 很 高 ， 所 以 超 声 波 与 一 般 声 波 相 比 ， 它 的 功 率 是 非 常 大 的 。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同，一般分为横波、纵波和表面波。质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播；质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波，它只能在固体中传播；质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波，表面波只在固体地表面传播。1.2
19、.2 超声波的研究发展和应用超声波的研究和发展与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。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相介质而言，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
20、从几个毫秒（引擎控制）到 24 小时（监控管道流量） ，在医学上可以测量血管流量，还可以用于江河流量和敞开水道流量的测量。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种2机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(paulLangevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶
21、、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。1.3 流量计概述1.3.1 流量的定义流量是工业生产过程中需要进行调节和控制的一项重要的物理参数。它对提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、合理利用能源和节约能源具有重大的意义。因此，对流量的测量越来越受到重视。在流体的流动中，具有某一定面积的截面，把流过该截面的体积或质量与时间之比称为流量。用流体流过的体积与时间之比来表示流量时，称为体积流量
22、(或容积流量)。用流体流过的质量与时间之比来表示流量时，称为质量流量。这种单位时间内的流量叫做瞬时流量，任意时间内的累计体积或累计质量的总和称为累计流量，也叫总流量。流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事
23、业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。本课题所述超声波流量计由其工作原理可知它是测量单位时间内流过截面体积的流量计，故属于体积流量计范畴。1.3.2 超声波流量计的原理与分类超声波流量计按测量原理来分，可以具有多种不同的形式。依据的原理有：传播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪声法、漩涡法、相关法等。(1)传播速度差法3根据超声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，从而求出流速的方法即为传
24、播速度差法。按照所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差法、相位差法和频差法。1)时差法时差法测量原理如图 1.1 所示。该测量方法是将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如静止流体中声速为 c，流体的流速为甜，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为(c+u)，而声波传播方向与流动方向相反时，其传播速度为(c-u)。LT1 c+u R1uR2 c-u T2图 1.1 时差法原理如果距离为 L 的两处放两组超声波发生器与接收器 (T1、R l、T 2、R 2)，则当 T1 顺方向、T2逆方向发射超声波时，分别到达 R1 和
25、R2 的时间为:t1= (1)ucLt2= (2)由于 u2c2,所以：(3)212cLt得到流体流速为：u = (4)t由此可见，当声速一定时，只要测出t，就可以求得流体流速 u。2)相位差法相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系：(5)tf2通过测量顺、逆两个方向接收波的相位差 来实现流体流 u 的测量，这里 f 为超声波的发射频率。3)频差法4频差法是由顺流发射的一组超声波发射器和接收器 T1 和 R1 及另一组逆流的 T2、R 2 各自组成发射一接收的闭路循环系统，其发射接收的循环频率分别为：(6)Lucf1(7)2二者差值为：(8)Luf可得：(9)f2由此，可通过测量
26、一定时间内两组闭路循环系统中的循环频率之差来测得流速。(2)波速偏移法超声波束在流体的流动影响下，其波束的方向会发生偏移。在超声波束与流动方向垂直时，这一偏移更是明显，所以利用波束偏移法进行测量的超声流量计均在垂直流速方向上发射超声波。超声波束方向的偏移，是以接收换能器所接收的波束强度的差值变化来反映的。当流体静止时，接收器 R1 和 R2 的信号强度相等，只是强度差值为 0；当流体运动速度为 u 时，超声波束的方向为原发射方向与流动方向的合成，即声速 c 与流 u 两矢量的合成方向，该方向与原发射方向有偏移角 ，则：(10)cutan此时，R 1与 R2的信号强度就有了差值，而且 值越大，这
27、一差值就越大。因此，流速的大小最终通过 R1与 R2的接收信号的强度差值得到反映。(3)多普勒法多普勒超声流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的。多普勒效应可以表述为：当发射器和接收器之问有相对运动时，接收器的接收声频率与发射器的声频率之差跟两者之间的相对速度成正比(4)噪声法噪声法是一种对信号仅仅进行接受的无源方法一般而言，当液体在管道内流动时，在流体中会产生紊流或涡流等，由于液体的剪切作用，在一定的频率范围内产生声波或超声波，此时产生的噪声的强度与流速成比例，通过噪声的检测可以得出流体的流速由于在一般的现场低频振动和电噪声很强，因而信嗓比很低，通常使用通滤波器来消除低频的影响，可在高频范围
28、内不受干扰地进行测量。(5)漩涡法5利用流体运动时所产生的漩涡来进行测量的方法称为漩涡法。换能器将一束连续等幅的超声波信号发射至被测流体，当超声波束穿过流体达到接收换能器时，会由于流体的运动而使信号发生改变。流体静止时，流体中无漩涡，接受其接收到的仍是等幅超声波；当流体运动时所产生的漩涡运动速度几乎与流体运动速度相等，超生波束穿过每个漩涡时，由于漩涡对声波的折射和反射都使接收器接收到的信号幅度被调制一次，只要能获得强漩涡，并在一个较宽的流速范围内漩涡稳定，即可根据调制频率而获得流速。(6)相关法多数流体在管道内的流动是以相关方式运动的紊流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的截面上观察它们的陶冬
29、，可知流速剖面之问存在着相关性，相关度是随着间距的减小而增加。1.3.3 流量的测量仪器目前已投入使用的流量计超过了100种，这些流量测量仪表已成为过程控制与检测仪表中的重要部分。根据现代设备、现代控制及生产现场对流量检测技术的要求，流量测量方法可分为接触式与非接触式两大类。接触式测量时需要与被测液进行接触，于是难免受到流体冲击、腐蚀等影响，而且测量过程会破坏原来的流场，所以此方式逐渐被非接触式测量计所代替。非接触式流量测量是借助于超声波、射线、激光等发展起来的流量测量新技术，它通过安装在渠道两侧的检测装置来间接感知信号。由于检测元件不与被测流体直接接触，所以克服了传统的接触法流量测量中存在的
30、问题。它不但可以提高测量精度及仪表寿命，而且可以实现用一套测量装置来测量渠道系统多个部位的流量，因而是一种具有广泛发展与应用前景的先进的流量测量方法。为此，多年来，各国科技工作者运用超声、热、核磁共振、相关技术等物理现象对非接触测流量方法作了许多艰辛的探索，也有了很大的进步。其中应用最广的当属超声波流量计。相对于传统测量方法，它有如下特点：（1）采用非接触式测量，换能器安装在渠道外壁而不与被测流体直接接触，基本上不干扰流场无压力损失，是一种比较理想的仪表。（2）换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测量水、石油等一般导声流体外，还可用来测高温、高压、高粘度、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声流体。（3）通用性好，在可测范围内，
