基于单片机的超声波流量计.docx

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基于单片机的超声波流量计

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根本原理和实现方法，在借鉴和吸收国外先进的超声波流量检测技术的根底上，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、测量围宽、安装简便、以与特别适合大管径与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,经常需要准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，提高了系统的精度与系统稳定性。

关键字：

单片机，AT89S51，超声波，流量计，时差法

Ultrasonicflowmeterbasedonthedesignofsinglechip

Abstract：

Theultrasonicflowmeasurementtechnology’soperatingtheoryisthatwhenultrasonicpasstheliquid,itcarriesoutthesignalreflectingtheliquid’sflowvelocity,andthen,thesignalwillbeusedtocomputetheflow.Thepaperintroducesbasicprincipleandrealizingmethodoftheultrasonicflowmeasurementtechnology.Onbasisofabsorbingandreferringtothedomesticandforeignadvancedultrasonicflowmeasurementtechnology,thesystemhardwareisdesignedandtheideaofthesystemsoftwareisgiven.

Ultrasonicflowmeterhasbeenwidelyusedinwaterworks,electricity,metallurgyandmineralprocessinginvirtueofitsmanyadvantages,suchasnon-contact,widemeasurementscope,convenienceofinstallation,especiallyacceptableformeasurementoflargeflowandflowindangerousenvironment.Itoftenrequiresprecisemeasurementandcontrolofliquidflowrateandflow.Measurementoffluidflowmeterorinstrumentreferredtoasflowmeter,whichisanimportantinstrumentofindustrialmeasurementone.Ultrasonicflowmeter,comparedwithpreviousconventionalflowmeterhasmanyadvantages,isanidealenergy-savingflowmeter.

Applicationofmorecurrentmeasurementultrasonicflowmeteraretimedifference,theDopplereffectmethod,correlation,noisemethod,thebeamoffsetlaw,includingthemostcommonapplicationoftimedifference.ThedesignforthemainchipmicrocontrollerAT89S51,throughin-depthstudyofultrasound,theuseoftransit-timeflowmeasurementrealized,whilethedesignofthesystemthroughtherationaldesignofhardwareandsoftwaretoimprovethesystemaccuracyandsystemstability.

Keywords:

microcontroller,AT89S51,ultrasonic,flowmeter,transit-time

1绪论

1.1选题依据与研究意义

流量计量是计量科学技术的组成局部之一，它与国民经济、国防建立、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、促进科学技术的开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。

它与传统意义上度量衡计量器具的应用有很大差异，它不是简单地将流量计安装好，开表投运就一定能到达测量目的。

有两位专家对现场装用着的千余台流量仪表进展调查，发现约有60%所选择的测量方法不是最适宜或不正确的，其余的40%中，约有一半虽然测量方法适宜，却存在现场布置和安装的不合理现象，这些不适宜、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准确度，但是在使用现场，一旦流体条件或环境条件有大的变化，不仅准确度无法保证，甚至无法进展正常测量。

超声波流量计的产生就防止了这很多问题，对流量测量有着深远的影响和重大意义。

目前，兴旺国家的超声波多普勒流量计开展较快，主要表达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，可以现场对信号进展多普勒分析。

仪表的整体性能在不断提高，应用围也在不断扩大，在储存、显示和输出等方面也有新的开展。

在国，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，相比拟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拟低。

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，比方便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等。

一些兴旺国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经历，奠定了根底，进入了国际市场。

我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经历上，有一定的根底，与其它兴旺国家相比还存在距离。

但是，我国的科研人员能够克制很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过兴旺国家的技术水平，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开展，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量计的开展产生了极大的推动。

1.2超声波的概述

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20KHz）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。

与可听声波比拟，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理量。

在一样强度下，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、纵波和外表波。

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，沿着外表传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为外表波，外表波只在固体地外表传播。

超声波的研究开展和应用

超声波的研究和开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。

由于这类换能器本钱低，所以经过不断改良，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、液体以与固体物质流量的测量，其测量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，电子学的开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开展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以与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。

材料科学的开展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体开展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电瓷、人工压电单晶、压电半导体以与塑料压电薄膜（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、外表波等。

如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型外表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

流量的定义

流量是工业生产过程中需要进展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、降低生产本钱、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（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。

这种单位时间的流量叫做瞬时流量，任意时间的累计体积或累计质量的总和称为累计流量，也叫总流量。

流量测量的开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年左右古埃与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根底，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场形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮与靶式流量计等。

20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速开展，微电子技术和计算机技术的飞跃开展极推动仪表更新换代，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流过截面体积的流量计，故属于体积流量计畴。

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

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展比拟，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）。

L

T1c+uR1

u

R2c-uT2

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、Rl、T2、R2），那么当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，分别到达R1和R2的时间为:

t1=

（1）

t2=

（2）

由于u2<

（3）

得到流体流速为：

u=

（4）

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）

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

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与另一组逆流的T2、R2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）

（7）

二者差值为：

（8）

可得：

（9）

由此，可通过测量一定时间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展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

，那么：

（10）

此时，R1与R2的信号强度就有了差值，而且

值越大，这一差值就越大。

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展测量的。

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展承受的无源方法．一般而言，当液体在管道流动时，在流体中会产生紊流或涡流等，由于液体的剪切作用，在一定的频率围产生声波或超声波，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，可在高频围不受干扰地进展测量。

（5）漩涡法

利用流体运动时所产生的漩涡来进展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到达接收换能器时，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，承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围漩涡稳定，即可根据调制频率而获得流速。

（6）相关法

多数流体在管道的流动是以相关方式运动的紊流模式存在的。

假设在管道中相隔一定间距的截面上观察它们的冬，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局部。

根据现代设备、现代控制与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展接触，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、激光等开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，所以克制了传统的接触法流量测量中存在的问题。

它不但可以提高测量精度与仪表寿命，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开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，根本上不干扰流场无压力损失，是一种比拟理想的仪表。

〔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，在可测围，同一台流量计可测任何不同的渠道。

〔4〕无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。

〔5〕安装维修方便，不需要专门的阀门等且不必中断流体流动，不影响生产。

超声波流量计主要分为：

①插入式超声流量计：

可不停产安装和维护。

采用瓷传感器，使用我公司专用钻孔装置进展不停产安装。

一般为单声道测量，为了提高测量准确度，可选择三声道。

②管段式超声流量计：

需切开管路安装，但以后的维护可不停产。

可选择单声道或三声道传感器。

③外夹式超声流量计：

能够完成固定和移动测量。

采用专用耦合剂〔室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂〕安装，安装时不损坏管路。

④便携式超声流量计：

便携使用，置可充电锂电池，适合移动测量，配接磁性传感器。

它的优点是：

1、非接触式测量方式、体积小、携带方便

2、适用于现场测量各种尺寸管道导声介质

3、置镍氢充电电池工作时间达20小时以上

4、用户界面灵活，使用简单

5、智能型现场打印功能，保证流量数据的完整

6、配备一体式铝合金防护箱，可在野外恶劣环境中使用

⑤手持式超声流量计：

体积小，重量轻，置可充电锂电池，手持使用，配接磁性传感器。

⑥防爆型超声流量计：

用于爆炸性环境液体流量测量，为防爆兼本安型。

即转换器为防爆型，传感器为本质平安型。

1.3.4流量计的开展现状

我国开展近代流量测量技术方面的工作较晚，早期所需流量计均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精细机械厂所制造的家用水表，20世纪50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计。

20世纪60年代开场有了涡轮流量计和电磁流量计等本国产品。

现在已形成一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业。

从事流量仪表研究和生产的单位超过230家，向中国仪器仪表协会流量仪表专业协会注册登记的单位也有50余家，它们均是有相当规模或有一定特色的企业。

我国1990年流量仪表产量〔不包括家用燃气表和家用水表〕估计超过25万台。

流量计在国外的开展较快，几个工业兴旺国家均有相当数量的流量仪表生产厂家，有专业生产多品种的流量仪表的综合大型企业，也有专业生产品种单一性能独特的流量仪表小型企业，数量上以后者居多。

目前美国有200余家，英国、德国和日本也均有50家以上，我国有250家以上。

解决不同条件下各种不同被测介质的流量测量，至今已经开展了种类繁多的流量仪表，一般可分为如下10大类：

1）差压式流量计

2）浮子式流量计

3）容积式流量计

4）叶〔涡〕轮式流量计

5）电磁流量计

6）流体振荡式〔包括涡街式〕流量计

7）超声流量计

8）热式流量计

9）科里奥利质量流量计

10）明渠流量计

近年来，随着时代的开展，传统流量测量仪表如差压式、浮子式、容积式流量计在市场上所占据的份额已经呈现下降趋势，而新颖的流量计如电磁式、涡轮式、超声波式流量测量仪所占比重正逐年增加。

其中，应用最广泛的当属超声波流量计。

超声波流量计是20世纪70年代随着IC〔集成电路〕技术迅速开展才开场得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有以下主要特点：

〔1〕解决了大管径、大流量与各类明渠、暗渠测量困难的问题。

因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以防止，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。

〔2〕对介质几乎无要求。

超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介质〔主要是应用多普勒法〕的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。

〔3〕超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。

〔4〕超声波流量计的测量围度宽，一般可到达20：

1。

〔5〕可以直接给出被测流体的瞬时流量和累计流量，可以用模拟量和数字量输出。

〔6〕除测量流速和流量外，与计算机联合使用，使其智能化后，可以进展各种管道、流体参数的设置，还可以自动地对流体的其他参数〔如成分、浓度、速度剖面等〕进展综合测量。

1.4本设计的设计目标与研究容

本设计旨在通过对超声波流量计的检测原理的分析，设计出相应的硬件和软件系统，以单片机为核心器件，结合超声波技术实现一台流量计的设计，最终实现目标如下：

1.使系统能进展流体流量的测量；

2.当流体流量超过测量围时，具有报警功能；

3.能对当前的流量值进展实时显示，当流量值无效时可以显示报警提示信息，如“ERR〞；

4.根据电路设计原理图进展EDA仿真，确保设计的合理性与正确性；