1、 基于超声波原理的流量计设计基于超声波原理的流量计设计 1.1.设计思路设计思路 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。 2.2.方案设计方案设计 2.1 2.1 时差法超声波流量计的原理时差法超声波流量计的原理 时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic
2、Flowmeter）其工作原理 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。 图图 1 1 时差法超声波流量测量原理示意图时差法超声波流量测量原理示意图 图图 1 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
3、为td,超声波的传播方向与流体的流动 方向加角为。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： 2 4 D QV dt 如果已经知道了 L、c、D 和 ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差 （ t ）就
4、可以求出速度 V，进而得到瞬时流量。 2.2 2.2 工作过程工作过程 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
5、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：系统框图如下： 控制器 发射器A 开 关 换能器A 换能器B 时间测量 键盘LCD 4-20mA RS485 RS232打印机口 4 日历 开 关 发射器B 3.3.单元电路的设计单元电路的设计 3.1 3.1 超声波换能器超声波换能器 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
6、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；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 3.1.1 超声波发射电路超声波发射电路 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 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
