超聲波水流量計(jì)的設(shè)計(jì)

介紹超聲波水流量計(jì)的原理以及在測(cè)量水流時(shí)所考慮的物理參數(shù)。本設(shè)計(jì)的硬件核心部分，采用高精度的TDC-GP2時(shí)間測(cè)量芯片以及STC89C58RD+單片機(jī)，成功地實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)流量的測(cè)量與輔助功能，具有較廣闊的研究前景和應(yīng)用價(jià)值。

0.引言

隨著電子器件進(jìn)一步研究和聲楔方面材料等技術(shù)的發(fā)展，超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展迅速。市面上流量計(jì)多樣化，根據(jù)測(cè)量原理、方法和結(jié)構(gòu)特征的不同，可將流量計(jì)分為超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。本文設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，它既可以測(cè)量大管徑的介質(zhì)流量，也可以用于不易接觸和觀察的介質(zhì)的測(cè)量。尤其適合于測(cè)量不易接觸的管道液體和大管徑流體，從而解決了大管徑、大流量和各種明渠、暗渠測(cè)量很困難的問(wèn)題，且不會(huì)受到較多的因素影響，這些優(yōu)點(diǎn)符合商家以及企業(yè)用戶對(duì)水流量計(jì)的市場(chǎng)需求。

1.測(cè)量原理

1. 1測(cè)量流體的物理參數(shù)

本文在測(cè)量或者研究管道流體時(shí)，首先要了解被測(cè)量流體的流動(dòng)規(guī)律和進(jìn)行流量測(cè)量。所以，對(duì)于流體的密度、粘度、雷諾數(shù)等重要物理參數(shù)必須要清楚。查閱資料可以發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)和流體所處環(huán)境的溫度、壓力密切相關(guān)，即所有流量測(cè)量結(jié)果都是在一定的溫度和壓力的環(huán)境下產(chǎn)生的。

1.1.1流體密度

在一般工業(yè)生產(chǎn)中，流體通?？梢暈榫鶆蛄黧w，而且流體密度是流體中重要的參數(shù)之一，表示為單位體積內(nèi)流體的質(zhì)量：

1.1.2流體粘度

粘度是流體粘滯性的一種量度。在工程上，液體的粘度受溫度的影響，在壓力很高的情況下才需考慮壓力的影響。隨溫度的升高，液體粘度會(huì)降低，氣體粘度則升高。流體動(dòng)力粘

1.1.3雷諾數(shù)

在進(jìn)行管道流量測(cè)量時(shí)，雷諾數(shù)代表著流態(tài)，既反映管道中的流體的特性，同時(shí)也反映管道的特性。

在流體流動(dòng)時(shí)，雷諾數(shù)是慣性力和粘性力之比：

雷諾數(shù)越小意味著粘性力影響越顯著，反之， 慣性力影響越顯著。雷諾數(shù)很小的流動(dòng)，例如霧 珠的降落或潤(rùn)滑膜內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，各質(zhì)點(diǎn)間的粘 性力起重要作用，流體將平行于管道有規(guī)則地流 動(dòng)，屬于流態(tài)的層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)很大的流 動(dòng)，例如飛機(jī)近地面飛行時(shí)相對(duì)于飛機(jī)的氣流，慣 性力則起重要作用，屬于流態(tài)湍流流動(dòng)狀態(tài)。工 程實(shí)踐中，常取&為2000。流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)為: 當(dāng)雷諾數(shù)Re<2 000為層流狀態(tài)，當(dāng)雷諾數(shù)Re >

000為湍流狀態(tài)。

1. 2時(shí)差法超聲波水流量計(jì)的基本原理

時(shí)差法是目前比較常用的測(cè)量方法，本設(shè)計(jì)主要采用時(shí)差法，可以比較地測(cè)量流體流速。時(shí)差法是根據(jù)超聲波傳播速度的不同，測(cè)量順、逆流傳播時(shí)弓丨起的時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體流速。時(shí)差法的基本原理如圖1所示。

2.主要架構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

TDC-GP2由ACAM公司生產(chǎn)，屬于通用 TDC系列產(chǎn)品，屬于高精度時(shí)間測(cè)量芯片，有著很 小的封裝。GP2有高速脈沖發(fā)生器，能停止信號(hào) 使能，溫度測(cè)量和時(shí)鐘控制等功能。數(shù)字TDC是 用信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度 時(shí)間間隔測(cè)量的，而且芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān) 保電路和特殊的布線方法使得芯片可以地記 下信號(hào)通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)。圖2顯示了這種測(cè)量 時(shí)間TDC的主要架構(gòu)。

芯片的測(cè)量范圍為2 us ~ 1. 8 ^s0 TDC在運(yùn) 行中，INTN中斷允許標(biāo)志位觸發(fā)高電位，START信號(hào)觸發(fā)測(cè)量單元，直到收到STOP信號(hào)才停止， 但高速單元并不測(cè)量整個(gè)時(shí)間間隔，僅僅測(cè)量從 START和STOP到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的 時(shí)間間隔，并同時(shí)記下基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)。圖3 為TDC-GP2芯片內(nèi)部構(gòu)造在超聲波水流量計(jì)中與 LCM顯示模塊等模塊連接的電路設(shè)計(jì)原理示 意圖。

設(shè)計(jì)圖中可以用市面上集成好的監(jiān)控芯 片(例:美國(guó)IMP公司生產(chǎn)的系統(tǒng)#監(jiān)控芯片-IMP706芯片）以及放大電路、顯示模塊、外設(shè)串口 與STC單片機(jī)集成的模塊通過(guò)對(duì)應(yīng)串口之間連 接，使得電路控制系統(tǒng)***小、***簡(jiǎn)化，以致于數(shù)據(jù) 處理較快，靈敏度較強(qiáng)。

3.STC89C51RD +系列單片機(jī)

3.1低功耗單片機(jī)STC

本文選擇的是南通國(guó)芯有限責(zé)任公司采用*** 新技術(shù)生產(chǎn)的51系列STC89C51RD +單片機(jī)。它 是***新一代產(chǎn)品，具有低功耗、聞速、*抗干擾 的優(yōu)點(diǎn)，其指令代碼*兼容8051單片機(jī)，有3 個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，并且可以任意選擇12時(shí) 鐘/機(jī)械周期和6時(shí)鐘/機(jī)械周期，同時(shí)有HD版本 和90C版本。實(shí)際的工作頻率可達(dá)48MHz，有 512字節(jié)或1280字節(jié)的RAM。STC89CRD +系列單片機(jī)具備如下特點(diǎn)。

（1）工作電壓廣:5 V單片機(jī)類為5. 5~3. 3V、

V單片機(jī)類為3.8 ~ 2.0 V；

（2）兩種編程模式可供選擇:在系統(tǒng)可編程 (ISP)，在應(yīng)用可編程(IAP)。無(wú)需編程器和 仿真器，可通過(guò)串口 (RXD/P3. 0，TXD/P3. 1) 直接下載用戶程序，而且數(shù)據(jù)之間互相傳輸速度 很快，工作穩(wěn)定；

（3）用戶應(yīng)用程序空間選擇多:4 K、8K、13K、 16 K、32K、64K字節(jié)，適應(yīng)性強(qiáng)；

（4）通用I/O 口數(shù)量多達(dá)35至39個(gè)，復(fù)位后 P1、P2、P3、P4是準(zhǔn)雙向口；P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，無(wú)需加上拉電阻，作為I/O 口用時(shí)，需加上上拉電阻；

(5)STC89C系列新增加的ISP_CONTR特殊 功能寄存器，使得具有了軟復(fù)位功能，而且內(nèi)部集 成了 MAX810復(fù)位電路，當(dāng)外部晶體20 MHz 以下時(shí)，可以省掉外部復(fù)位電路；

(6)內(nèi)置看門狗電路；

(7)擁有4路外部中斷，下降沿中斷或低電平 觸發(fā)中斷，對(duì)于PowerDown模式可由外部中斷低 電平觸發(fā)，中斷方式喚醒

3.2單片機(jī)與各個(gè)電路模塊工作情況

本文將硬件電路分成六個(gè)部分，分別是：時(shí) 間測(cè)量芯片TDC-GP2及其外路總線、單片機(jī) STC89C58RD +、流量測(cè)量控制電路、電源穩(wěn)壓 部分、LCM顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警部分和串口 通信部分。圖4為超聲波水流量計(jì)硬件電路 框圖。

首先時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2開始作用，主要 是測(cè)量超聲波在順、逆流時(shí)的傳播時(shí)間，而 且測(cè)量開始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)分別由單片機(jī)和測(cè) 量控制電路的過(guò)零比較器輸出端提供。單片機(jī) STC89C58RD+用于發(fā)出測(cè)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(shí)間測(cè)量結(jié)束時(shí)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出瞬時(shí)流量 值，還對(duì)流量值進(jìn)行閾值報(bào)警以及LCM顯示的 控制。流量測(cè)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(hào)后對(duì)其進(jìn)行 濾波放大處理。它由模擬開關(guān)、過(guò)零比較器、異 或門和濾波部分組成。通過(guò)單片機(jī)對(duì)模擬開關(guān) 的使能控制，可以確定超聲波發(fā)射時(shí)的狀態(tài)，即 順流狀態(tài)或逆流狀態(tài);異或門作為兩輸人單輸出的邏輯器件，可以保證FIRE1和FIRE2端發(fā)射的 脈沖都可以輸人到TDC-GP2芯片的START端， 作為測(cè)量開始信號(hào);濾波部分可以濾除接收到的超聲波信號(hào)的低頻噪聲;過(guò)零比較器由放大器組成，將接收到的超聲波信號(hào)輸出為TDC-GP2芯 片可以識(shí)別的矩形波脈沖信號(hào)，以此信號(hào)作為測(cè) 量結(jié)束信號(hào)輸出給ST0P1端。電源穩(wěn)壓部分可 以準(zhǔn)確穩(wěn)壓出3.3V電壓，此電壓可以供給單片 機(jī)、TDC-GP2使用。

LCM顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警部分屬于本設(shè)計(jì) 的輔助部分，它們均由STC89C58RD +控制，分別 實(shí)現(xiàn)流量值顯示和報(bào)警功能。串口通信部分用于 單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通信，本設(shè)計(jì)沒(méi)有過(guò)多研究， 僅在硬件上加以表亦。

3.3主要工作內(nèi)容

首先，單片機(jī)在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要初始化TDC-GP2芯片里面的參數(shù)再進(jìn)行配置;之后，單片機(jī)需 要控制TDC-GP2的FIRE1和FIRE2引腳在順逆 流測(cè)量時(shí)分別給高電平信號(hào)，順逆流狀態(tài)的確定 是由模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，而模擬開關(guān)也是由單片機(jī) 的I/O 口控制，通過(guò)在順流和逆流時(shí)狀態(tài)的切換， 來(lái)測(cè)量使TDC-GP2順逆流時(shí)間;不僅如此，單片機(jī)需要在TDC-GP2芯片接收到STOP信號(hào)并發(fā)出中 斷請(qǐng)求時(shí)才能響應(yīng)，其中響應(yīng)過(guò)程先從TDC-GP2 芯片中讀取出測(cè)量時(shí)間值，然后調(diào)用數(shù)據(jù)處理子 程序，把TDC-GP2測(cè)量出的和代入程序已經(jīng)寫好 的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，由此求出瞬時(shí)流量值的數(shù)據(jù)，并 調(diào)用LCM顯示子程序在顯示模塊中顯示，顯示同 時(shí)調(diào)用蜂鳴器報(bào)警子程序檢測(cè)流量值是否需要報(bào) 警，如果超了規(guī)定數(shù)值，蜂鳴器發(fā)聲，反之，工作正 常無(wú)任何聲音。***后，單片機(jī)還需要做的工作是 與上位機(jī)進(jìn)行通信，它可以將流量信息進(jìn)行存儲(chǔ) 以備上位機(jī)查詢使用。

3.4軟件設(shè)計(jì)及程序流程

本文在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，有考慮到如何規(guī)劃 軟件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。首先，軟件設(shè)置有三 個(gè)平行的中斷源:一個(gè)是用于響應(yīng)外部測(cè)量命令的，即當(dāng)外部需要本系統(tǒng)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)便給單片機(jī)一個(gè)外中斷信號(hào)，由單片機(jī)響應(yīng)此中斷并進(jìn)行流量測(cè)量;另一個(gè)是用于響應(yīng)TDC-GP2的，當(dāng) TDC-GP2時(shí)間測(cè)量結(jié)束時(shí)便給單片機(jī)發(fā)出一個(gè)中 斷信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，便從TOC-GK中讀取測(cè) 量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;***后是用于自檢功能，即由單片 機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器定時(shí)，并且時(shí)間可以自己設(shè)定，當(dāng) 定時(shí)時(shí)間一到，便進(jìn)行一次流量測(cè)量，并如此循 環(huán)，形成流量自檢功能。

圖5為參數(shù)測(cè)試流程圖。通過(guò)在單片機(jī) STC89C58RD +的INT1引腳，外部測(cè)量發(fā)出命令 相當(dāng)于開關(guān)，而且每按下開關(guān)就是把一個(gè)中斷命

令向引腳輸出，單片機(jī)響應(yīng)中斷后會(huì)去調(diào)用測(cè)量 程序進(jìn)行流量測(cè)量。之前需要初始化TDC-GP2參 數(shù)并設(shè)置，其中有設(shè)置測(cè)量控制電路中的模擬開 關(guān)，在時(shí)間測(cè)量結(jié)束后需要調(diào)用各個(gè)部分的子程 序完成數(shù)據(jù)處理、顯示和報(bào)警。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)不僅運(yùn)用時(shí)差法 原理，而且屬于非接觸式儀表，通過(guò)高精度計(jì)時(shí) 芯片TDC-GP2測(cè)時(shí)模塊，在測(cè)量管徑為 25. 4 mm的流體時(shí)，顯示系統(tǒng)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，其 測(cè)量精度為±1%，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，適用于 大多場(chǎng)合。再加上超聲波傳感器以及設(shè)計(jì)的外 圍電路，具有降低功耗、保證測(cè)量精度，同時(shí)傳 感器不用放在流體中，可以排除測(cè)量的附加阻 力的影響。