时差法超声波流量计论文.doc

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1、 摘 要超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。意义是使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，功耗低，可靠性高。此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了以下一些主要工作：超声波时差法测流量原理研究，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响；超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流

2、量修正；设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；以超声波时差检测的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。关键词：超声波流量计；时差法；传播时间AbstractUltrasonic flowmeter is through the test fluid flow of the ultrasonic bunch of (or u

3、ltrasonic pulse) role to measure flow of meter, the purpose is to solve some difficult problems of measurement. Meaning is that flow meters will be able to adapt the industrial field environment, more convenient, economy, measurement accuracy, and itself does not damage easily, low power consumption

4、, high reliability. Such products for the domestic and international advanced level, and can be widely used in petroleum, chemical industry, metallurgy, electric power, water supply and drainage, etc.Based on the difficulty and practical reasons, this thesis chooses spread the method of time differe

5、nce for research subject, the comprehensive absorbs the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, and on the basis of the following some main work completed:(1) Ultrasonic approach to measure time flow theory research, this paper ultrasonic flowmeter measurement accuracy

6、easy effected by temperature problems, using the improved algorithm avoids the influence of temperature on measuring accuracy;(2) The ultrasound in fluid in the analysis of the propagation characteristics of ultrasonic flowmeter, fluid mechanics analysis and flow correction;(3) Design system control

7、 measurement circuits, including ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, signal plastic circuit and control circuit system, and based on the instrument itself actual conditions and the environmental research suitable for hardware anti-interference technology;(4) The appropriate design of c

8、omputer software to the instrument to control and the data processing operations, taking suitable on software anti-interference measures, further strengthen the operation stability of the instrument;(5) The time difference in ultrasonic testing experiment for the whole experiment research focus, in

9、view of the existing conditions of the experimental and the experimental data and results.Key words: Ultrasonic Flowmeter；Time Difference Method；Travel Time朗显示对应的拉丁字符的字典 - 查看字典详细内容目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外发展现状及应用11.3 本文主要研究内容2第二章 时差法超声波流量计概述32.1 流量的基本概念32.2 超声波技术概述32.3 时差法超声波流量计的基本

10、原理5第三章 时差法超声波流量计系统原理73.1 系统的构成和原理73.2 结构框图8第四章 时差法超声波流量计硬件设计104.1 超声波发射/接收电路104.2 采样保持电路114.3 电压比较电路114.4切换控制电路124.5 信号采集及控制电路134.6 信号处理及人机接口电路14第五章 时差法超声波流量计的软件设计195.1 主单片机软件设计195.2 从单片机部分软件设计205.3 单片机软件抗干扰措施21第六章 系统误差分析及实验结果226.1 系统误差分析226.2 实验研究22附 录25参考文献27致 谢28IV第一章 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景自古以来流

11、量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、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1。早在公元前1000 年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠引水中采用孔板测量流量。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丘里管测量流量，并于1791 年发表了研究结果；1886 年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。19111912 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

12、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2。第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。目前国外投入使用的流量计有100 多种，国内定型投产的也有近50 种。随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20 世纪30 年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50 年代初有了新成仪表厂所

13、开发的文丘里管差压流量计，60 年代开始涡轮、电磁流量计的生产。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。1.1.2 超声波流量计的意义超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。意义是使流量

14、仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，功耗低，可靠性高。此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。1.2 国内外发展现状及应用1.2.1 国内外发展现状在国外，利用超声波测量液体和气体流量的研究已有数十年的历史。1931 年，O.Rutten 发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献2。但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到10 -7秒，这在当时是很难达到的；50 年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量3，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得

15、时间测量精度得以大大提高。1955 年，应用声循环法的MAXSON 流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量4，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广5。60 年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。我国超声波流量计的研究起步较晚，6070 年代机械工业部上海工业自动化表研究所、北京大学相继进行超声波流量检测的研究，80 年代中期，开封仪表厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从日本富士电机公司相继引进专用技术，生产具有80 年代国际先进水平的超声流量仪表，但是市场基本为国外产品占据6。我国超声波流量计年产量90 年代初估计为8001000 台7

16、。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8。1.2.2 应用范围超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的量仪表。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。1.3 本文主要研究内

17、容随着国内市场的国际化和WTO 的加入，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。因此，开展高性能流量仪表的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表工业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要的意义。超声波流量计本身也存在许多不足之处，如传统时差法测流受声速影响精度不高，不适合小管径、小流量场合等。现有国内的大多数超声波流量计虽然价格比外国的便宜，但总体性能较差；而国外的超声波流量计尽管在精度、性能和操作使用方面都优于国内的产品，但因价格昂贵(每台约为5 万元左右)，也不可能在工业界大量使用。因此有必要在现有的基础上对超声流量测量技术加以改进和提高，以便在国内推广和使用，这也是本课题的研究目的之所

18、在。基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了以下一些主要工作：超声波时差法测流量原理研究，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响；超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正；设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；以超声波时差检测

19、的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。第二章 时差法超声波流量计概述2.1 流量的基本概念单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用Q表示，单位为m3 /s，后者成为质量流量，用G 表示，单位为kg/s9。体积流量Q 的计算式为：Q= v A (2-1)式中，A 为与流速v 相垂直的通道横截面积，m2 ；v 为沿通道横截面上的流体平均速度，m/s。质量流量G 的计算式为：G=Q=vS （2-2）式中，为流体密度，kg/m3 。2.2 超声波技术概述由

20、于超声波传播时，其声速、衰减和声阻抗都和媒质的特性与状态有关，不同性质的媒质不但影响超声波的穿透深度，也影响接收波的强度。因此，要准确地检测到超声信号并非易事，在投入设计前要对超声波及相关的知识进行介绍。2.2.1 超声波的传播特性1、超声波的传播速度超声波在水中的传播速度不但温度有关，还受水深h 和水中含盐量S 的影响，如图2-1所示为水中声速与温度T 的关系曲线。图2-1 水中声速与温度的关系曲线2.超声波的衰减10超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。造成衰减的主要原因是因为一方面，超声波在传播过程中，在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下，

21、有一部分声能会不可逆转地转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了，通常认为流体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的；另一方面，超声波在媒质中传播时，如果媒质中含有大量的散射粒子（如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等），则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的，这样就形成了散射衰减，而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源，又会向所有方向辐射声能，超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的，通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。因此，超声波

22、在水中传播时会不断衰减，甚至会被噪声淹没。在设计过程中必须充分考虑以上两大因素，采取相应的措施确保超声波流量计的实现。2.2.2 超声换能器的结构及原理压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(110)m，但这种振动的加速度很大，约(10103 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动能量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压

23、电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图2-2（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图2-2（b）所示。图2-2 压电超声换能器等效电路图如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。图2-3是压电换能器的完整等效电路（电流等效电路图）。图2-3 压电换能器的完

24、整等效电路图中，Ca换能器的电容，Ci前置放大器输入电容，Cc连接导线对地电容，Ri前置放大器的输入电阻，Ra包括连接导线在内的换能器绝缘电阻。由等效电路来看，压电换能器的绝缘电阻Ra 与前置放大器的输入电阻Ri 相并联，为保证换能器和测试系统有一定的低频响应，就要求压电换能器的绝缘电阻应保持在1013 以上，这样才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则换能器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。2.3 时差法超声波流量计的基本原理时差法超声波流量计11,12就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距

25、离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，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。其基本原理如图2-4 所示。超声换能器A、B 是一对可轮流发射或接收超声脉冲的换能器，其安装方式采用管外夹装式。图2-4 时差法工作原理图设超声波信号在被测流体中的声速为C，超声波顺流时从A 到B 的时间为t1 ，逆流时从B 到A 的时间为 t2 。由于换能器布置在管外，超声波在换能器和管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，这三种传播时间总称为延迟时间0 ， 0 远小于超声波在流体中的传播时间，则有：在一般工业测量中，超声波在液体中传播速度(水中约为1450m/s)比液

26、体的流速大得多，即C2V2sin，所以顺逆流时间差t=t2-t1可以简化为：因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为：第三章 时差法超声波流量计系统原理3.1 系统的构成和原理时差法超声波流量计系统由2部分组成：硬件系统：超声波换能器，超声波发射/接收电路，信号采集及控制电路，信号处理及人机接口电路软件系统：主单片机软件设计，从单片机部分软件设计，单片机软件抗干扰设计。测量原理如下：声学原理：当管道中流体以速度v 流动时，超声波信号在流体中的顺、逆流传播时间分别为t1 ， t2 ，那么对于V 型安装有：但是，由式（3-4）可以看到流体的流速v 与超声波速度C 有关，而C 又受温度、水深等物理

27、参数的影响，如果直接利用式（3-4）进行流量计算势必会造成比较大的误差，因此，可以采用改进型时差法，利用数学变换将影响测量精度的超声波速度C 剔除。由式（3-1）、（3-2）可知：相减得式（3-7）与（3-4）相比，消掉了超声波速度C 这一项，因此，改进后的时差法公式消除了C 对测量结果的影响，从理论模型上提高了流速的测量精度。如图3-1所示。图3-1 基本声学原理图测时原理：时差法超声波流量计的精度与所检测到的传播时间的准确度有关，采用可靠的传播时间测量方法是确保时差法超声波流量测量的关键问题。由式（3-7）可以看出：由数学知识可以知道：由式（3-9）可以看出，k 越小，v 对时间参量要求的

28、精度就越大，也就是说管径越小就越难以测量。根据课题的要求以及计算的方便，所测管径的最小值为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度为1450m/s；发射角为45。当流体流速为v=1m/s 时：t197.484s， t297.579s，Dt9.5-2s3.2 结构框图根据时差法测量的基本原理和时差信号小的特点，本课题研究的时差法超声波流量计主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。时差信号采集部分以从单片机89C51 为核心，根据主单片机发来的命令进行相应的操作，主要负责进行超声波的发射和接收以及传播时间的测量，它由超声波发射电路、接收放大电路、顺/逆流切换电路、电压比

29、较电路、计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分则以单片机89C52 为核心，主要负责对整个系统的控制、流量的计算还有人机接口服务，包括键盘、LCD 显示、数据存储等。其系统框图如图32 所示。图3-2 系统硬件结构框图这里大致介绍一下系统的工作过程：从单片机收到主单片机发出的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，同时使计数电路开始对高频方波进行计数，在接收端接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，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信

30、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的时间，并通过并行口送到主单片机上。主单片机收到从单片机发来的顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波技术对这些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LCD 上显示出来。第四章 时差法超声波流量计硬件设计4.1 超声波发射/接收电路多脉冲法超声波发射/接收系统硬件逻辑框图如图4-1 所示。图4-1 发射/接收系统硬件逻辑框图在设计中，发射和接收电路都分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，

31、且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。4.1.1 超声波发射电路在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图4-2 所示。图4-2 超声波发射电路4.1.2 超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。为了实现高精度的测量，在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，对所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成。1

32、、放大电路通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的，只有几毫伏，而一般ADC需要采样的信号的幅值为5V，所以必须对它进行放大。放大电路采用三级放大，第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有程控增益调整功能的芯片AD603 来实现，这样当第一级和第三级确定后，可以通过调节AD603 控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅值。2、滤波电路在超声波接收信号中，往往会掺杂一些干扰信号，在电路设计中，应尽可能将这些干扰信号除去。但是要完全把干扰信号除掉是不可能的，只能将这些干扰信号尽可能减小。因为超声波信号的频率大致为1MHz，由运放和电容等器件构

33、成的有源滤波器的带宽一般较窄，通常不适用于高频范围，最大在几百千赫兹，且在这个频率附近不易采用，而若采用专用集成的滤波电路造价又偏高，因此决定采用由电感和电容组成的LC 滤波器。4.2 采样保持电路超声波接收信号经过放大和滤波后，进入采样保持电路。采样保持电路对接收到的超声波信号的第一个峰值进行采样，并将它保存下来。这样，就可以利用A/D 转换器将采样到的信号转化为数字信号，供控制单元进行增益控制，保证测量的准确性。具体电路如图4-3 所示。图4-3 采样/保持电路图4.3 电压比较电路正确地确定超声波接收信号的到达时刻是整个电路中一个很关键的地方，它直接影响到超声波传播时间的测量精度。在这里

34、，采用了电压比较电路对接收到的信号进行有效性检验，利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点、0.2V 处进行检测。电路主要由高精度的过零比较器MAX913 和高速双路电压比较器MAX902 组成。由过零比较器可得到过零点信号；由双路电压比较器可得到过+0.2V 和-0.2V 信号，这三个输出信号最后都送到单片机进行逻辑控制。其电路见图4-4、4-5 所示。图4-4 电压比较电路图4-5 控制电路4.4切换控制电路该部分的作用是用来完成两个超声波探头和发射、接收电路的切换的。作为对模拟信号的切换，可以有以下两个方案：采用模拟开关。模拟开关的开关频率高，对信号的影响比较小，但由于切换的双方是接收

35、到的微弱的超声信号和用于发射的高压信号，难以找到既能够承受高压又能使得传输的微弱信号失真较小的芯片；用继电器进行切换。当信号接通后，由于继电器实际上就是导线，所以不存在信号失真的现象，并且还能完成信号的隔离。但继电器的开关频率有限，而且有一定的总开关次数限制，一般在100 万次。鉴于以上原因，暂时选用了继电器方案，选择2 个直流电压控制的固态继电器实现换能器的发射、接收转换。在实际电路中，采用了74LS138 来对从单片机送达的控制信号进行译码，决定该接通哪一个继电器。例如，如果接通继电器1，因为继电器1 连接着换能器T1 和T2，其中T1 与发射电路相连，而T2与接收电路相连，这样T1 就成

36、为了发射换能器，T2 成为接收换能器，这时通继电器的“导通”和“关闭”，就决定了换能器的状态，所以继电器起到了“收发切换开关”的作用。一般的数字电路的输出是不足以驱动固态继电器的，为此，还选用了74LS06 通过上拉电阻来为继电器提供足够的电流来对其进行操作。4.5 信号采集及控制电路13,14，15,16从单片机是信号采集及控制电路的核心，它既要接收主单片机发来的命令，使测量模块的各部分协调工作，同时又要向主单片机回送测量数据和该部分的状态信息。考虑到性价比，选择了ATMEL 公司的AT89C51，它是一种低功耗、高性能CMOS8 位单片机，其指令系统与8051 完全兼容，主要有以下显著特点

37、：4KB 可改编程序FLASH 存储器，可经受1000 次的写入/擦写；全静态工作：0Hz24MHz；3 级程序存储器保密；1288 字节内部RAM；32 条可编程I/O 线；2 个16 位定时器/计数器；6 个中断源；可编程串行通道；片内时钟振荡器。电路设计如下图4-6所示。图4-6 控制计数部分示意图4.6 信号处理及人机接口电路4.6.1主单片机系统方案选用ATMEL 的89C52 单片机作为该部分的核心。89C52是一款8 位的单片机，程序和数据线为16 位，即可寻址64K 的程序和数据空间，它内部集成了256Bit 的RAM 和8K 的ROM，考虑到程序量不大，所以8K 程序空间已可

38、以满足系统要求，所以没有外接ROM 用于程序空间的扩展。4.6.2数据存储电路超声波流量计作为仪表，必须需要及时的对测量结果流量或者流速的数据进行存储，还要存储流量计的各种参数，包括换能器的频率、管径、声路角、修正系数、计算公式等。考虑到存储器在存储空间、存取速度、接口上的要求，选用Flash 存储器AT29C010A 芯片作为本系统的存储器。AT29C010A 是在线快速编程和可擦除的只读存储器，具有大容量、小扇区，操作速度快，电路设计灵活，无需在数据写入前进行预擦除等优点。它的存储容量为128KB，共有1024 个扇区（每个扇区128 字节），片内含地址和128 字节数据锁存器，按扇区进行

39、编程操作，编程和擦除可一次完成，重复编程高于10000 次；快速读取时间70ns；单5V 电源供电，5V 编程；低功耗，即工作电流50mA，空闲电流100A。AT29C010A 存储器与单片机的硬件接口电路图如图4-7 所示。图4-7 AT29C010A 硬件接口电路4.6.3键盘电路根据硬件设计思想，在使用超声波流量计进行测量前需要设定一定的参数，这就需要一个键盘阵列来实现这种人机对话的功能，为了操作方便、直观，设计了16 个键，各按键布置如图4-8所示。图4-8 流量计按键布图由于使用的按键较多，CPU 的I/O 口有限，采用了8155 进行I/O 扩展。其电路图如图4-9 所示。图4-9

40、 流量计按键电路原理图4.6.4时钟电路在实际使用中，为了和89C52 单片机统一，将MOT 管脚接地用于选择INTEL时序，时钟的片选信号接89C52 的P1.3。其与主单片机的接口电路如图4-10 所示。图4-10 实时时钟与单片机接口原理图4.6.5液晶显示电路LCD显示器控制电路如图4-11 所示。图4-11 LCD 显示器控制电路4.6.6与从单片机通信接口主从单片机的连接见图4-12所示图4-12 主从单片机的连接4.6.7与PC 机通讯接口计算机的串行口通常采用一个25 针或9 针的D 型连接器，在本设计中，选用了9 针型的D 型连接器，如图4-13 所示。图4-13 9 针D

41、型连接器由于单片机提供的电平是TTL 的，而计算机提供的是RS232 电平，要实现单片机与计算机的通信，必须对它们进行电平转换，可用MAX232 芯片来实现。具体电路如图4-14 所示。图4-14 MAX232 芯片接口图4.7 硬件抗干扰设计对于本课题设计的流量计，主要采取了如下的硬件措施来提高系统的抗干扰性能：电源。在系统使用的各种直流电源（如+5V）的输入端均跨接一个10100F 的电解电容和一个0.010.1F 陶瓷滤波电容，以抑制电源尖峰干扰；收发电路用两套相互隔离的电源供电，这样从地线耦合的发波干扰就会大大减小；接收范围门。接收范围门可以防止发射信号以及开关动作给接收信号带来的干扰

42、；自动增益技术。自动增益技术除了使信号便于测量外，还可以有效地抑制噪声干扰；看门狗电路。程序在运行过程中会因为受到干扰导致失控，引起程序乱飞，或陷入“死循环”，此时最直接的抗干扰方法是采用硬件“看门狗”电路。通过P1.1给出复位脉冲可使系统复位，程序重新启动运行。其与单片机的连接如图4-15 所示。图4-15 看门狗电路合理的布线技术。模拟信号线与数字信号线相对分开，信号线与电源线分开；PCB 布线时，将公共地线与电源线尽量加宽，并使它们尽可能靠近需要供电的电路；减小电源线和地线的长度，这样可以减小电源线与地线的公共阻抗，减小耦合干扰的产生；布线过程中避免回路有重复面积，以减小相互感应；接地技

43、术。数字地和模拟地分开，它们在一点相连；两个探头各自使用相互独立的地线，减小地线干扰耦合；仪表及探头外壳接地；屏蔽技术。运用屏蔽技术可以隔离通过空间耦合的电磁干扰，采取的措施是用金属机壳将测量电路封装起来。第五章 时差法超声波流量计的软件设计时差法超声波流量计是软件和硬件共同组成的，硬件是功能得以实现的基础，而软件则是通过硬件最终实现全部功能的桥梁。本超声波流量计的整个软件包括主从单片机两部分，主单片机部分主要完成参数的设定、流量的计算和补偿、测量结果的显示和存储以及与计算机的通讯；从单片机部分主要完成测量电路的控制、传播时间的测量、和传输等。为了便于软件的调试及今后的功能扩展，采取模块化结构

44、设计。本章将简要介绍整个系统软件的整体结构，并着重介绍从单片机软件部分的多脉冲测量原理的算法实现。5.1 主单片机软件设计主单片机软件主要由以下几个功能模块组成：初始化子程序、参数处理程序、测量子程序、计算子程序、存储子程序、键盘处理子程序、显示子程序、串行通讯子程序等，其软件流程图如图5-1 所示。图5-1 主单片机软件流程图流量计开启后先检查流量计是否是首次运行，如果是首次运行，主单片机先执行系统初始化子程序，包括初始化单片机的系统参数、程序运行中所需的常数等，并自动进入参数设置状态，待参数设置好后将参数存入存储器，然后向从单片机发送安装、调试命令；此后，每次系统启动时先询问是否要重新设置

45、参数，如果是，则等待用户重新设置，如果否，则直接进入测量显示界面。设置完参数后，进入主单片机程序的测量及参数显示状态，并在这一状态中程序不断扫描键盘，根据键入的命令跳转到相应的子程序模块。5.2 从单片机部分软件设计从单片机部分是完成流量测量电路的控制、测量数据的采集、检验和传输，其软件流程图见图5-2。图5-2 从单片机软件流程图系统在测量顺逆流传播时间时，必须进行换能器的切换。测量传播时间时首先由从单片机发出控制切换信号，切换完成后，等待发射信号和接收信号顺利通过。当接收信号到达时，传播时间计数器停止计数，并进行有效性检验，如果此信号为有效信号，则CPU 读数，否则不读数。5.3 单片机软

46、件抗干扰措施超声波流量计在工业现场使用时，有时大量存在的各种干扰源虽不会造成硬件系统的损坏，但常常使单片机控制系统不能正常运行，使数据采集误差加大甚至程序运行失常。要使仪器正常工作，除了第四章所述的硬件抗干扰措施外，在软件上也要采取一定的抗干扰措施，以提高系统的可靠性。5.3.1 数据采集误差的软件对策在系统输入信号中含有种种噪音和干扰，它们主要来自被测信号本身、换能器或者外界的干扰。虽然在数据采集过程中，硬件电路使用了带通滤波器，对噪声的消除有一定的作用，但是这种方法对放大器频带那的噪声不起作用，为此，通常采用信号处理的方法来消除信号中的噪音，这就是数字滤波。在上一节中，已经做了介绍，所以这

47、里不再重复。5.3.2 控制状态失常的软件对策单片机受到干扰后，往往会把操作数当作指令码来执行，从而引起整个程序的混乱或程序跑飞。如果程序跳到某一条单字节指令上时，就不会发生把操作数当作指令码的错误，程序就自动纳入正轨；当程序跳到双字节或三字节指令上时，程序就将继续跑飞。因此，可以加入冗余指令，即在程序的关键跳转指令前插入两个单字节的空操作指令NOP，就可以保护其后面的指令不被拆散而被完整的执行。回波信号有时会因为一些原因发生计数脉冲丢失现象，这样就会给计数带来误差，需要一个出错处理。可以通过设置一个中断标志位专门作为脉冲接收与否的检测标志，在关闭接收电路后，软件测试中断标志位，如果不为1，则说明此次发射出现脉冲丢失，手动清零中断标