手持式超声波流量计设计开题报告模板.doc

便携式超声波流量计上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 手持式超声波流量计设计 学 院 电气学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 学 号 姓 名 指导教师 邹海荣 定稿日期： 2013 年 2月6日便携式超声波流量计设计摘要：超声波流量计，集计算机和传感器技术于一身，将声学的研究成果与现代电子技术结合在一起，可以用于多种液体的测量。同时，超声波流量计可以实现非接触式测量且测量方法简单、精度高、可用于大口径的测量。根据在流动流体中超声波顺流与逆流传播速度之差与被测流体流速有关的原理，采用频差法通过测量顺流和逆流时超声波脉冲的重复频率差来测量流量。系统是以单片机为控制核心，结合超声波传感器设计的便携式超声波流量计测量系统。关键词：单片机，超声波流量计，便携式，测量1 文献综述流量测量最早是由瑞士著名的物理学家丹尼尔伯努利开始的，在1738年，他使用了差压法测量了水流量，其基础是伯努利方程。接着，意大利物理学家文丘里又以文丘里关测量了流量，并发表了研究成果。到了1886年，美国人应用文丘里管制成了实用的测量装置。流量测量的理论到了20世纪的中期逐渐走向成熟，人们不再将思路局限在原有的测量方法上，而是开始了新的探索。1910年时，美国人开始了槽式流量计的研究工作，这种流量计是用来测量明沟中水流量的。到了1922年，帕歇尔改革了水槽测量为帕歇尔水槽。槽式流量计发展的同时，美籍匈牙利人卡门正在研究涡街理论，1911年到1912年，他提出了卡门涡街理论。到了30年代，声波测量流量的方法走入人们的视线【1】。1928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。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107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，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。1955年，应用声循环法MAXSON 流量计在美国研制成功【2】，并用于航空燃料油流量的测量，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。60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计【3】。进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术（PLL）的出现和应用，为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度【4】。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。如今，国内生产的超声波流量计无论从测量精度上和测量方法上与国外相比都还是具有一定的差距。国外厂家生产的超声波流量计在测量精度上，及便携角度来说都达到了较高的水平【5】。由于超声波流量计的独特优点，以及我国现代化建设的突飞猛进，国内对超声波流量计的需求和在超声波流量测量领域研究的投入都会不断增加，相信在不久的将来，国内的超声波流量测量技术和产品都会达到世界一流水平。2 选题背景及其意义随着国内市场的国际化，我国流量仪表工业面临着严峻的挑战。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。我国开展近代流量测量的技术比较晚，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年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代涡轮、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【6】。流量仪表一般可分为如下十大类：压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、涡轮式流量计、电磁式流量计、流体振荡式（涡街式）流量计、超声波流量计、热式流量计、科里奥利质量流量计和明渠用流量计【7】。其中，超声波流量计，集计算机和传感器技术于一身，将声学的研究成果与现代电子技术结合在一起，可以用于多种液体的测量。同时，超声波流量计可以实现非接触式测量且测量方法简单、精度高、可用于大口径的测量。超声波流量计以其独有的优点证明了其实际的应用价值和广阔的市场前景。超声波流量计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。也传统的流量计相比：（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随着管径的增大会带来制造和运输上的困难，有不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大。这些问题，超声波流量计均可避免，提高了流量仪表的性能价格比；（2）超声波流量计对介质几乎与要求。它不仅可以测液体、气体、甚至对双相介质的流体也可以测量。由于利用超声波测量原理可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损伤，并可以解决其他类型流量计所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量测量问题；（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范围度较宽，一般可达20:1【8】。随着电子技术、数字技术和声学材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，技术不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具【9】。超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量。电磁流量计超声波在流体中传播时，将上载流体流速的信息。因此，通过接受收到的超声波，就可以检测出被测流体的流速，再换算成流量，从而实现测量流量的目的【10】。根据在流动流体中超声波顺流与逆流传播速度之差与被测流体流速有关的原理，检测出流量的方法，称为传播速度法。根据具体测量参数的不同，又可分为时差法、相差法和频差法。本系统采用频差法。研究超声波流量计系统，基于可实现性因素,本设计是一款基于单片机AT89C51的便携式超声波流量计系统，包括系统硬件电路和软件程序的各个组成部分，其实用性强，操作简单，扩展功能强。3 研究内容利用单片机设计应用系统。以AT89C51单片机为控制核心，设计便携式超声波流量计测量系统。论文中详细分析和叙述系统硬件和软件各部分的组成和设计原理。3.1 超声波流量测量流量的检测方法本系统采用频差法，频差法是通过测量顺流和逆流时超声波脉冲的重复频率差来测量流量的方法。该方法是将发射器发射的超声波脉冲信号，经接收器接收并放大后，再次切换到发射器重新发射，形成“回鸣”，并如此重复进行。由于超声波脉冲信号是在发射器流体接收器放大电路发射器系统内循环，故此法又称为声还法。频差法的特点：（1） 没有零点漂移。（2） 传感器探头可安装在管道外壁，实现非接触式测量。发射和接收频率不受声信号幅度变化的影响。（3） 分辨率好。由于发射频率选择较高，对于所测流速可以得到较高的频率差，因此分辨率较好。（4） 超声波流速测量精确度已达0.5%。（5） 流体流速和频差成正比，流速的测量与声速无关，不必进行声速修正。声速与传播介质的温度有关，因此当被测介质温度变化时必然引起测量误差，所以采用频差法不受温度影响，这是频差法超声波流量计的显著优点。 3.2 系统硬件电路的设计该系统主要由两个部分组成：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AT89C51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受以及传播时间的测量，由超声波发射电路、接收放大电路、顺/逆流切换电路、电压比较电路、计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分则以另一片AT89C51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电路，包括键盘输入电路、LCD显示电路等。系统框图如下：从单片机发射电路主单片机LCDV切换开关计数电路信号调理电路键盘接收电路图1 便携式超声波流量计系统框图（1）超声波发射电路超声波发射电路采用单脉冲发射电路，它由脉冲信号和放大电路构成，在单片机发出的方波信号经过三极管放大和变压器的升压，当脉冲信号达到足够功率后使换能器产生超声波。（2） 超声波接收电路和信号调理电路当发射换能器发出超声波信号，接收换能器所接收到的传播信号是经过流体，其中含有杂质和气泡，信号强度不断减小，而且不稳定。因此就需要对传播信号进行调理。一级放大带通滤波二级放大 接收信号图2 信号调理原理框图一级放大电路采用低噪声高速放大器。由于接收到的超声波信号经过管壁和流体介质，信号衰减较大，通常只有几个mV到几十个mV，而且超声波流量计实用的超声波频率较高，所以要求运算放大器的增益带宽要足够高。因此本系统采用MAX410构成第一级放大电路，MAX410是一种低电压、低噪声、精密放大器，性能优良。带通滤波电路由一片MAX275完成的,包含了两个二阶节,在硬件上级联的两个节点分别构成了中心频率为40kHz,增益为40dB,品质因素为40的四阶带通滤波器。高频质因数的带通滤波对于整个系统十分重要,由于前置放大只是将信号和噪声同时放大了几倍,并没有提高输入信号的信噪比。经过带通滤波后,40kHz 0.5kHz以内的超声回波信号被保留,之外的无用噪声被削弱,并且为下一级的放大电路提供了更高信噪比的输入信号。换能器接受到的信号经过一级放大后，又经过带通滤波电路，信号又有一定程度上的衰减。因此再加入一个放大电路，是信号再经过一次放大，同第一级放大电路一样，需要有足够高的增益带宽积，这一级放大电路采用放大器INA128。INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器，即使在高增益条件下也能提供较宽的带宽。（3）切换超声波发射和接收的开关电路本系统中，采用继电器进行顺流和逆流方向收发电路的切换，发射电路和接收电路分别只有一个，这样既消除了非对称性电路误差，也降低了成本，而且发射脉冲通过单独的继电器分别对发射换能器和接收换能器进行控制，这样能使换能器的发射和接收完全隔离，消除了发射信号对接收信号的影响。（4）计数电路由单片机对计数器进行清零、启动等控制操作，计数电路中包括分频计数器4040，两片74LS245.分频计数器4040满，将在INT1端口产生一个下降沿，向单片机申请外部中断。并通过单片机控制分别使两片74LS245读入计数值。（5）从单片机的作用和选择从单片机是信号采集和控制电路的核心，它不仅要接收主单片机发来的命令，同时又要向主单片机会送测量数据和部分状态信息。从单片机选用AT89C5主要实现三点，一是控制超声波换能器发射和接收的切换，同时启动换能器的第一次超声波发射；二是接收电路的门控制；三是控制计数电路的工作时序，并从锁存单元读取计数值。（6）主单片机的作用和选择主单片机选用另一片AT89C51，主要实现对数据的处理和整个便携式超声波流量计的控制。为了提高系统的稳定性，采用主从单片机协同工作的方式。主从单片机的接口连接方式是串行通信连接方式。串行口的工作方式0不支持双工的工作方式，在同一时刻只能进行数据的发送或接收操作。这种工作方式虽然速度较慢，但是在数据传输不太多的情况下，串行通信是很方便的。通行速率达1MB/s。（7）辅助电路键盘电路，根据设计目的，在使用超声波流量计测量前需要设定一定的参数，这就需要一个键盘矩阵来实现这种人机接口的功能，为了操作方便、直观，本设计中使用了10个数字键和6个功能键（选择修改管道直径、选择修改夹角、增一键、减一键、确认开始键和修改键）。LCD显示电路，采用LCD12864，汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字、128个字符及64X256点阵显示RAM。3.3 系统软件的设计超声波流量计的软件设计包括主从单片机两个部分，主单片机部分主要完成参数的设定，流量的计算，测量结果的显示；从单片机部分主要完成超声波收发电路的控制，传播时间的测量，数据的检验和传输等。（1）主单片机软件设计主单片机软件部分主要包括参数处理程序、计算子程序、键盘处理子程序、显示子程序、串行通信子程序等。流量计开启后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，然后向从单片机发送命令；参数设置完成后，进入主单片机程序的测量及参数显示状态，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。开始初始化参数设置安装调试开始测量和显示键盘中断 N 键盘中断服务子程序 Y 图2 主单片机流程图（2）从单片机软件设计从单片机部分完成超声波收发电路的控制、测量数据的采集、检验和传输。开始系统初始化及参数设置接受测量命令测量顺/逆流传播速度测量数据的检测和发送测量结束 N 结束 图3 从单片机流程图4 工作特色及其难点，拟采取的解决措施4.1 工作特色及其难点超声波流量计因其独特的优点在工业化市场获得了广泛的应用，但他在某些方面还是存在不足，主要是测量的精度不高，易受测量环境的影响，稳定性和可靠性不是很好。研究传统超声波流量计的工作原理，吸收和利用当代科技领域和电子行业的一些新技术、新方法。设计一种基于频差法法的便携式超声波流量计，系统的发射、接受电路匹配性能较好，釆用信号处理技术，使超声波流量计的可靠性，稳定性有很大提高，气泡及颗粒杂质的影响减小。其传感器可装在被测管道的外壁上，可对流体进行无接触测量。流体流速只与频率有关与声速无关。设计难点：（1）硬件电路中可能存在的干扰，特别是超声波接收电路。（2）数据采集存有误差。（3）程序运行失常。4.2 拟采取的解决措施在超声波接收电路中加入放大电路、滤波电路、电压比较电路等，可以提高信号稳定性，增加测量的精度。在硬件电路中使用了低通滤波器，可消除一定的噪声，但在软件运行时，还是会存在数据采集误差，这就需要采用数字滤波。程序运行失常，可以使用Proteus软件并与Keil进行协同调试，在该系统中，Keil作为软件调试界面，Proteus作为硬件仿真和调试界面。采用Keil与Proteus离线联合使用的方法系统的仿真。通过Keil编辑、修改、编译源程序并生成HEX文件，在运行Proteus，将HEX文件与原理图中的单片机进行绑定，实现仿真。5 论文工作量及预期进度2013年 1 月 4 日 3月10日 收集资料，阅读技术文献，翻译外文文献，撰写开题报告并进行开题答辩2013年 3 月11日 3月20日 系统总体设计2013年 3 月21日 4月10日 系统硬件设计2013年 4 月11日 4月30日 系统软件设计2013年 5 月 1 日 5月15日 系统调试2013年 5 月16日 5月31日 撰写毕业论文 2013年 6 月 1 日 6月10日 准备毕业答辩。6 预期成果及其可能的创新点预期成果：便携式超声波流量计系统，该系统采用单片机来实现, 在单片机产生的控制信号作用下，超声波发射电路产生脉冲，经放大后驱动发射端的超声波换能器，发出同频率的超声波，超声波被反射后再经接收端的超声波换能器转换为电信号，经滤波放大后送给检波器。分别测量相同时间间隔内顺流发射和逆流发射的频率,然后单片机根据公式计算得到管道内液体的流速、流量,并将计算结果送到LCD显示电路显示,从而实现流速、测量的测量。并利用Proteus和Keil软件进行联合仿真实现系统功能。本系统由LCD做实时数据显示，可测流速、实现瞬时流量和累计流量，且测量精度为5%，测量极限流速：0.1m/s。可能的创新点：与传统超声波流量器相比系统的发射、接受电路匹配性能较好，系统釆用信号处理技术，使超声波流量计的可靠性，稳定性有很大提高，气泡及颗粒杂质的影响减小，且传感器可装在被测管道的外壁上，可对流体进行无接触测量。参考文献 1 王池.我国流量计量发展现状J.现代计量测试,2000,(2):8-11.2 M.Greenspan and C.E.Tschiegg.Sing-Around Velocimeter for Liquid.The Review of Scientific Instruments,1957,28(11):897-901.3 董德明,彭新荣.超声波流量计的原理及应用M.北京:机械工业出版社,2009.4 徐科军.传感器与检测技术M.北京:电子工业出版社,2011.5 杜清府,刘海.检测原理与传感技术M.山东大学出版社,2008.6 李邓化,陈雯柏,彭书华.智能传感器技术M.清华大学出版社,2011.7 李明伟.一种高精度时差法超声波流量计J.仪器仪表学报,2007.8 催继馨,张鹏,王华梅,及歆荣,马晓翠.明渠非接触式流量计的设计M.微计算机信息,2007(9-2):54-56.9 贾宝贤，边文凤，赵万生，王振龙.压电超声换能器的应用与发展M.压电与声光，2005(2):131-135.10 常凤筠,崔旭东.超声波明渠流量计的设计J.鞍山科技大学,2005:23-26.11 张卫东,张圣训.超声波测距系统中的误差来源及补偿J.应用声学,1993(6):28-30.12 陈晓燕,韩君.超声波流量计测量精度的修正与探讨J.内蒙古电力技术,2003.13 马场清太郎.运算放大器应用电路设计M.北京出版社，2004.14周兴华.单片机智能化产品C语言设计实例详解M.北京:航空航天大学出版社,2006.15 倪志莲.单片机应用技术M.北京:北京理工大学出版社,2010. 16 曹琳琳,曹巧媛.单片机原理及接口技术M.国防科技大学出版社,2005.17 周润景,徐宏伟,丁莉.单片机电路设计、分析与制作M.机械工业出版社,2010.18 谷树忠,刘文洲,姜航.Altium Designer教程:原理图、PCB设计与仿真.电子工业出版社,2010.19 廖雁鸿.动态自校正超声液位测量系统研究与现实D.湖北:华中科技大学,2004.20 ROS S,Martin Abreu J M,Freire T and Calderon L.1992.Digital techniques improve rangemeasurement with ultrasound sensor.Sensors and Actuators,A3:550-554.21 Atmel Corporation.2001.AT89C52 Datasheet:1-38.Abstract：Ultrasonic flowmeter is through the test fluid flow of the ultrasonic bunch of (or ultrasonic 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, high reliability. Such products for the domestic and internat