基于单片机的超声波流量计.doc

精选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基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量检测技术的基础上，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、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及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,经常需要精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，提高了系统的精度及系统稳定性。关键字：单片机，AT89S51，超声波，流量计，时差法Ultrasonic flow meter based on the design of single chipAbstract：The ultrasonic flow measurement technologys operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquids flow velocity, and then, the signal will be used to compute the flow. The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On basis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. Ultrasonic flow meter has been widely used in waterworks, electricity, metallurgy and mineral processing in virtue of its many advantages, such as non-contact, wide measurement scope, convenience of installation, especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment. It often requires precise measurement and control of liquid flow rate and flow. Measurement of fluid flow meter or instrument referred to as flow meter, which is an important instrument of industrial measurement one. Ultrasonic flow meter, compared with previous conventional flow meter has many advantages, is an ideal energy-saving flow meter. Application of more current measurement ultrasonic flow meter are time difference, the Doppler effect method, correlation, noise method, the beam offset law, including the most common application of time difference. The design for the main chip microcontroller AT89S51, through in-depth study of ultrasound, the use of transit-time flow measurement realized, while the design of the system through the rational design of hardware and software to improve the system accuracy and system stability.Keywords: microcontroller, AT89S51, ultrasonic, flow meter, transit-time目录1 绪 论11.1 选题依据及研究意义11.2 超声波的概述21.2.1 超声波的相关概念21.2.2 超声波的研究发展和应用21.3 流量计概述31.3.1 流量的定义31.3.2 超声波流量计的原理与分类31.3.3 流量的测量仪器61.3.4 流量计的发展现状71.4 本设计的设计目标及研究内容82 超声波流量计的总体设计92.1 传感器概述及其特性92.2 超声波换能器概述92.2.1 超声波换能器能量转换原理92.2.2 超声波换能器的简介及主要性能指标102.3 超声波换能器的选择及设计112.3.1 超声波换能器的主要参数112.3.2 超声波换能器的安装方式及选择122.4 流量计总体设计框图133 超声波流量计硬件设计143.1 单片机系统143.1.1 单片机的选择143.1.2 AT89S51单片机简介153.2 显示电路的设计173.2.1 LED显示器的结构和原理173.2.2 共阴极LED结构及显示原理183.3 按键调节电路的设计193.4 超声波收发电路的设计213.4.1 超声波发射电路的设计213.4.2 超声波接收电路的设计233.5 电源电路的设计243.6报警电路设计244 系统软件程序设计254.1 软件设计概述254.2 编程语言的选用264.3 主要功能函数的实现264.3.1 主函数main264.3.2 超声波时差读取函数274.3.3 显示函数284.3.4 按键处理函数284.4 系统流程图305 系统仿真32结 论35致 谢36参 考 文 献37附 件 一：超声波流量计的程序38附 件 二 系统总原理图45欢迎下载1 绪 论1.1 选题依据及研究意义流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、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、促进科学技术的发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别，它不是简单地将流量计安装好，开表投运就一定能达到测量目的。有两位专家对现场装用着的千余台流量仪表进行调查，发现约有60%所选择的测量方法不是最合适或不正确的，其余的40%中，约有一半虽然测量方法合适，却存在现场布置和安装的不合理现象，这些不合适、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精确度，但是在使用现场，一旦流体条件或环境条件有大的变化，不仅精确度无法保证，甚至无法进行正常测量。超声波流量计的产生就避免了这很多问题，对流量测量有着深远的影响和重大意义。目前，发达国家的超声波多普勒流量计发展较快，主要体现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，可以现场对信号进行多普勒分析。仪表的整体性能在不断提高，应用范围也在不断扩大，在储存、显示和输出等方面也有新的发展。在国内，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，相比较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较低。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，比如便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等。一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其它发达国家相比还存在距离。但是，我国的科研人员能够克服很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过发达国家的技术水平，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发展，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发展产生了极大的推动。1.2 超声波的概述1.2.1 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，超出此频率范围的声音，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。与可听声波比较，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。在相同强度下，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、纵波和表面波。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，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波，表面波只在固体地表面传播。1.2.2 超声波的研究发展和应用超声波的研究和发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。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，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、液体以及固体物质流量的测量，其测量范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，电子学的发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发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及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。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(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、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面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1.3.1 流量的定义流量是工业生产过程中需要进行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、降低生产成本、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。这种单位时间内的流量叫做瞬时流量，任意时间内的累计体积或累计质量的总和称为累计流量，也叫总流量。流量测量的发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年左右古埃及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基础，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始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。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，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，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内流过截面体积的流量计，故属于体积流量计范畴。1.3.2 超声波流量计的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行比较，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 T1 c+u R1 u R2 c-u T2 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)，则当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等待接收接收”这一过程计时。最后通过对计时时间的计算得出距离值并显示出来，当距离值计算有误时显示“ERR”。通过以上分析，得出系统框图，即单片机控制两对超声波收发器，且两对收发器以“V”型结构安装在管道同侧。由于流体流速的影响，两对收发器从发送到接收的时间是不同的，有t的时差，且时差的大小与流速成比例，只要再知道管道的截面就要以通过t算出液体的体积流量。其框图如图2.6。图中的超声波信号由NE555输出的40KHZ方波得到。管道直径由独立式按键来调整。显示数码管由74HC595驱动。以上设计使系统保留了大量的内部资源及处理时间，可以花费更多的精力来提高测量精度。单片机AT89S51独立式按键显示驱动报警显示NE555产生方波超声波发送超声波接收信号放大NE555产生方波超声波发送超声波接收信号放大图2.6系统结构框图3 超声波流量计硬件设计本课题研究的超声波流量计采用了时差法测量原理，通过调研并查阅了国内外相关文献，分析了几个厂家的产品，确定了该流量计的研究。本设计的硬件电路主要分为单片机系统、显示电路、按键调节电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四个部分组成。下面就对每一个部分进行介绍。3.1 单片机系统3.1.1 单片机的选择单片微型计算机(简称单片机)已广泛地应用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个领域。单片机自70年代问世以来，以极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机的体积小重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。目前单片机的产品多达50多个系列，300多种型号，国内单片机应用中常见的有Intel公司的MCS系列，Motorola公司的68HC系列、Philips公司的80C51系列、T工公司的MSP430系列、ATMEL公司的AT89系列、Microchip公司的PIC系列等。单片机的选择应从多方面考虑:第一，看单片机是否含有所需的I/O。端口数目，如果单片机的I/O端口数太少，就不可能满足有关的功能。如果I/O端口数太多，就会造成单片机资源的浪费;第二，单片机是否含有所需的外围端口部件，如果单片机不含所需的电器部件或不满足所需的I/O方式，那么就无法满足系统需要;第三，单片机的CPU是否有合适的容量，这是一个有关单片机的计算功能的问题。针对应用系统的需要，必须认真考虑单片机对系统执行控制时的处理能力。如果单片机的处理能力过强，则浪费了单片机的资源;如果处理能力不足，就无法正常进行工作;第四，单片机的极限性能是否能满足要求，一个应用系统都有其特定的应用环境、功耗和电压状态。必须考虑应用系统的使用温度是否在单片机的最大温度范围内，使用电压、电流和功耗是否在单片机极限指标之内。如果不是，单片机就不能满足应用系统的需要;最后，要考虑开发设备和产品的成本，当有很多种单片机满足以上要求时，那么要考虑单片机的开发设备和产品的成本，选择性价比高的产品。综合以上考虑，并结合系统功能设计要求，本系统选用了ATMEL公司的AT89S51作为控制器。3.1.2 AT89S51单片机简介AT89S51是一种低功耗、高性能的8位微处理器，使用了Atmel公司高密度非易失性存储器技术，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S51是一款高性价比的单片机，其突出特点表现在:（1）8K字节系统可编程Flash存储器，可擦/写1000次，使得在现场程序调试和修改更加方便灵活（2）全静态操作:OHz33Hz，加快了指令的执行速度（3）三级加密程序存储器（4）32个可编程I/O口线，每个口线可以用作输入，也可以用作输出（5）三个16位定时器/计数器，使得定时计数操作更方便（6）八个中断源、六个中断矢量、两个优先级的中断控制系统（7）全双工DART串行通道，可以实现单片机与单片机或其它微机之间的串行通讯（8）低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒（9）片内看门狗定时器WDT，提高了系统的抗干扰能力（10）双数据指针DPTRO和DPTR1，方便了对片外RAM的访问过程（11）掉电标识符（12）ISP在线下载功能。与AT89C51相比，可以节省昂贵的下载器，直接通过ISP接口下载程序到芯片内部，而且更改程序内容不用拆卸单片机。（13）提供PLCC、PDIP、SOP等多种封装，可以满足不同场合使用。本系统采用的封装形式为PDIP，芯片引脚如图3.2所示。AT89S51配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式，空闲模式下，CPU暂停工作，RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作。掉电模式冻结振荡器而保存RAM数据，停止其他功能直至外中断激活或硬件复位。它相对89C51，89S51增加了ISP在线编程功能、内部看门狗定时器、双数据指针，全新的加密算法等功能，但价格基本不变，甚至更低。图3.1是AT89S51的引脚图及最小系统原理图，其引脚功能主要分为四类：1、主电源引脚（2根）VCC：电源输入，接5V电源GND：接地线2、外接晶振引脚（2根）XTAL1：片内振荡电路的输入端XTAL2：片内振荡电路的输出端80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。一般采用在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振）的方式构成稳定的自激振荡器，振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用.对于AT89S51,晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在0MHz35MHz之间选择。本设计中由于为了实现更为精确的计时，并且能更快地响应中断信号，应使用尽可能快的晶振。由于市面上很难或不能买到35MHZ的晶振，所以本系统采用了常见的33.1776MHZ晶振。使用时，为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。3、控制引脚（4根）RST/VPP：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：地址锁存允许信号，在系统扩展时，用于控制把P0口的输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。PSEN：外部存储器读选通信号，用于实现外部ROM单元的读操作。EA/VPP：程序存储器的内外部选通，接低电平时从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4、可编程输入/输出引脚（32根）AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0