超声波时差法流量计硬件设计.doc

西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目题目 超声波时差法流量计硬件设计超声波时差法流量计硬件设计 系系 部 部 电子信息系 专专 业 业 自动化 班班 级 级 060304 学学 生 生 张 波 学学 号 号 06030427 指导教师 指导教师 毕雪芹 2010 年 05 月 i 超声波时差法流量计硬件设计超声波时差法流量计硬件设计 摘 要 超声波流量计通过超声波在流动的液体中传播载上流体流速信息 再通过 简便 可靠的信号处理方法 就把这个流速信息转换成流量信息 然而 超声 波流量计是近几十年才出现的一种新型仪表 还有很多地方不完善 没有得到 普遍的应用 因而在科学迅速发展的今天 非常值得去研究 本论文通过充分调研及查阅大量的文献资料 选择时差法超声波流量计为 研究对象 对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理 论研究 并设计了具体的硬件电路 主要研究工作包括 1 简要介绍了流量计和超声波流量计的研究意义 发展历史及其研究现状 2 介绍了超声波流量计等基本概念 对超声波流速测量方法进行了理论分 析 并在此基础上详细介绍了设计中采用的时差法流速测量机理 3 在第三章中介绍了超声波流量计测量装置的硬件设计 并重点介绍了测 量装置的硬件电路以及超声波流量计的工作流程 4 运用 protel99se 绘制原理图和制作 PCB 版 写出设计流程 关键词关键词 超声波流量计 时差法 传播时间 protel99se ii Hardware Design of ultrasonic transit time flowmeter Abstract Ultrasonic flow meter Ultrasonic flow of fluid through the transmission of information contained in the fluid flow and through simple reliable signal processing method put the information into traffic flow information However the ultrasonic flowmeter is only in recent decades the emergence of a new instrument there are many imperfections are not universal application thus the rapid development in science today is worth studying In this paper sufficient research and consulting a large number of documents the choice method of ultrasonic jet flow as the research object the precision of how to improve the system and the system stability and reliability of the theoretical research and design of the concrete hardware circuit the main research work include 1 Briefly introduced the research and the ultrasonic flow meter history and current research 2 introduces the basic concept of ultrasonic flowmeter of ultrasonic velocity measurement method analyzed theoretically and on the basis of detailed introduces the design method of the jet velocity measurement using mechanism 3 In the third chapter 3 introduced the flow measurement device of ultrasonic hardware design and mainly introduces the hardware circuit and the measuring device of ultrasonic flowmeter workflow 4 Using protel99se drawing principle diagram and making PCB Write design process Keywords Ultrasonic Flowmeter Time Difference Method TravelTime protel99se iii 目 录 1 绪 论 1 1 1 研究背景 1 1 2 超声波流量计的发展和现状 2 1 3 超声波流量计的特点 2 2 时差法测量原理 4 2 1 流量仪表的基本概念 4 2 1 1 流量的基本概念 4 2 1 2 超声波流量计的基本概念 4 2 2 超声波时差法测量原理 4 2 3 主要误差源分析及解决办法 6 3 流量计硬件设计 7 3 1 系统硬件总体结构 7 3 2 时差测量电路 8 3 3 单片机及其外围电路 11 3 4 超声波收发处理电路 13 3 5 显示电路 14 3 6 串口通信电路 16 3 7 制作 PCB 版 16 4 系统调试与分析 21 4 1 发射电路的调试 21 4 2 接收调理电路的调试 21 5 结 论 22 参考文献 23 致 谢 24 毕业设计 论文 知识产权声明 25 毕业设计 论文 独创性声明 26 附录 1 27 附录 2 28 1 绪论 1 1 1 绪绪 论论 超声波流量计具有运行稳定 对管径的适应性强 非接触测量 安装方便 计量准确可靠 无压力损失 仪表的运算和显示精度较高 节约能源等特点 超声波时差法流量计主要用于对纯净液体的测量 其测量精度比较高 由于电 子技术的迅速发展 采用电子线路设计的超声波流量计具有集成程度高 运算 和显示精度较高 易于数字化管理等特点 因此很有必要研究超声波时差法流 量计 1 1 研究背景 自古以来流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 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 用文丘里管测量流量 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 1911 1912 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 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 为满足不同种类流体特性 不同流动状态下的流量计量问题 近 30 年 来 先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计 容积流量计 动量式流 量计 电磁流量计 涡街流量计 超声波流量计等几十种新型流量计 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 但是 由于流量测量技术的复杂化 以及科学技术的迅速发展向流量计 量提出更新更高的要求 流量计量的现况远不能满足生产的需要 还有大量的 流量计量技术问题有待进一步研究解决 目前主要存在如下问题 流量仪表的 品种 规格 准确度和可靠性尚不能满足生产要求 特别对腐蚀性流体 脏污 流体 高粘性流体 多相流体 特大流量 微小流量等 有待发展有效的测量 手段 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 2 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 1 2 超声波流量计的发展和现状 1928 年研制成功第一台超声波流量计 1955 年首先应用于马克森 MAXSON 流量计测量航空燃烧油 这是一种基于声循环法的两组探头 换 能器 组成的液体流量计 1958 年 A L H ERDRICH 等人发明折射式探头 进一 步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真 也为管外夹装提供了理论依据 20 世纪七十年代以后 由于集成电路和锁相环路技术的发展 使超声波流 量计得以克服以前的精确度不高 响应慢 稳定性与可靠性差等致命弱点 使 实用的超声波流量计得以发展 近 20 年来特别是近 10 年来 基于高速数字信号的处理技术与微处理技术 的快速发展 基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研 究 超声流量测量技术取得了长足进展 发展势头迅猛 2000 年在巴西召开的 国际流量测量学术会议 FLOMEK O 2000 上直接涉及超声波流量计及超声波 技术的论文约占论文总数的 1 5 在历次国际流量学术会议上 采用超声波流量 计作为传递标准的文献愈来愈多 可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力 1 3 超声波流量计的特点 超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表 相对于传统流量计而言 它 主要具有一下特点 1 可作非接测量 夹装式超声波流量计无需停流截管安装 只要在管道外 部安装换能器即可 为无流动阻挠测量 无额外压力损失 这是超声波流量计 在工业用流量仪表中具有的独特优点 2 适用于大型圆形管道和矩形管道 原理上不受管径限制 通用性好 同 一仪表可以测量不同管径的管道流量 使用时不必严格考虑管材和壁厚 且其 造价基本上与管径无关 更适合于大管径 大流量的场合 3 对介质几乎无要求只要能传播声波的流体皆可用超声波流量计测量流量 因而适用于多种流体 除了水 石油等常见流体外 尤其适用于其他方法不便 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 3 测量的情况 例如高温高压 腐蚀性液体 高粘度液体或气体等 而它可测量 非导电性液体 在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充 2 时差法测量原理 4 2 2 时差法测量原理时差法测量原理 2 1 流量仪表的基本概念 2 1 1 流量的基本概念 工业上通常讲的流量 指的是在单位时间内通过管道或者通道中某一截面 的流动介质的量 可用容 体 质量来计算 因此 流量分别用体积流量 也 称作容积流量 用 Q 表示 单位为 cm3 s 质量流量 用 M 表示 单位 g s kg h 或 t h 表示 体积流量和质量流量的关系是 QM 2 1 式中 是流体的密度 M 是质量流量 Q 是体积流量 某一段时间内流过流体的总量成为累计流量 等于该时间内对时间的积分 2 1 2 超声波流量计的基本概念 超声波是指频率高出可听频率极限 即在 20KHz 以上的频段 的弹性振动 形成的波 超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测量介 质的平均流速和声波本身速度的几何和原理而设计的 是通过测量流速来反映 流量的大小 根据对信号检测的原理 超声波流量计可分为传播速度差法 多普勒法 相关法 波束偏移法及噪声法等不同类型的超声波流量计 一般 流量的测量的主要方法有两种 声时差法和多普勒频移法 多普勒 频移法由于其自身的限制 只适合对包含较大杂质颗粒流体进行测量 且精度 较低 声时差法适用面较广 易实现 且精度较高 本课题采用了声时差法设 计超声波流量计 2 2 超声波时差法测量原理 时差法测量流体流量的原理如图所示 它利用声波在流体中传播时因流体 流动方向不同而传播速度不同的特点 测量它的顺流传播时间 t1和逆流传播时 间 t2的差值 从而计算流体流动的速度和流量 如图 2 1 所示 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 5 图 2 1 超声波流量计测流原理图 设静止流体中声速为 c 流体流动速度为 v 把一组换能器 P1 P2与管渠 轴线安装成 角 换能器的距离为 L 从 P1到 P2顺流发射时 声波传播时间 t1 为 2 2 cos 1 vc L t 从 P2到 P1逆流发射时 声波的传播时间 t2为 2 3 cos 2 vc L t 一般 c v 则时差为 2 4 2 21 cos2 c Lv ttt 根据上式可求出速度 v 2 5 21 21 2 2tt tt d L v P1 P2 t2 t1 液体流动方向 d L 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 6 应用公式 2 5 2 6 可测得流量 Q 2 6 SvQ 式中 S 为与流速 v 相垂直的通道横截面积 单位 m2 2 3 主要误差源分析及解决办法 超声波流量计的精度主要与超声波流量计的工作环境噪声因素有关 这里 将论述并给出解决的办法 工作环境噪声对于大多数测量仪器来讲 噪声都对仪器的工作性能有一定 的影响 在工作现场将会有很多的噪声源 比如水泵 电话线 由于超声波流 量计的测量是基于超声波的传播和对超声波传播速度的测量 如果不对噪声进 行处理 则工作环境中的噪声将直接对信号进行叠加 造成信号失真 严重时 可使流量计不能正常工作 在情况允许下可以将流量计与噪声源进行隔离 1 针对由电源引入的噪声 使用隔离变压器 2 针对由通信线路引入的噪声 采用隔离良好的通信线 3 针对外界电磁噪声 可采用加屏蔽盖 正确接地等措施 4 若能明确噪声源的频率或位置 可以换超声波传感器的频率 或者在 安装时远离噪声源 5 安装噪声削减器或滤波器 6 当换能器表面磨损 或液体中夹带泥沙 气泡 水生物 有碎片堆积 时会引起超声波信号强度 除正常的扩散损失外 的过量衰减时 可能产生流 速测量误差 而且 由于碎片的多路反射会使信号失真 这将对流量计精度产 生严重的影响 可由流量计本身适当的提高信号增益 提高信号门槛值 或启 用软件数据处理等剔除不可靠的信号来消除这种声路流速测量误差 3 流量计硬件设计 7 3 3 流量计硬件设计流量计硬件设计 硬件部分的作用是以各模块构建出基本的系统 为软件运行提供基础平台 本时差法超声波流量计作为测量仪表 系统要求能够准确测量信号的时差并智 能化地根据时差法的测量原理计算出流量流速 并进行处理及显示 根据系统 的原理 本设计选用了数字时间转换芯片 TDC GP2 16 位单片机 MSP430F413 等芯片 充分利用了 TDC GP2 的高精度时间间隔测量和内置脉冲 发生器的脉冲可设置功能 结合 MSP430 较强的运算处理能力 超低功耗及丰 富的片上外围设备等优点 实现了较高精度的测量系统 以下将详细介绍系统 的硬件结构组成及各主要电路的设计原理与实现 3 1 系统硬件总体结构 本设计的硬件结构大体可以分成五个部分 时差测量电路 单片机及其外 围电路 超声波收发处理电路及显示电路 硬件主要部分构成如图 3 1 图 3 1 硬件原理框图 系统的时差测量电路采用德国 ACAM 公司生产的高精度时间间隔数字转换 芯片 TDC GP2 GP2 具有高速脉冲发生器 停止信号使能 温度测量和时钟控 制等功能 这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方 面的应用 单片机部分主要由 MSP430 单片机及其外围电路组成 为系统的控 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 8 制核心 完成芯片驱动 菜单显示 数据处理等工作 超声波收发电路完成能 量的放大输出以及由双级放大可调增益电路完成输入信号的信号放大 显示电 路由键盘 LCD 及其外围电路组成 实现方便的菜单控制和处理功能 采用了 高精度的时间数字转换芯片以及设计对接收波形进行处理的数字电路是本设计 的创新之处 进行测量时的系统工作过程如下 首先 根据实际情况 选择好超声波探 头安装方式 由工作人员精确测出超声波传感器的安装角度以及流体所在管道 的内外管径 通过键盘输入单片机 FLASH 进行存储 同时 确定好管材 流 体类型以及探头安装间距等流量测量时所必须的参数值 测量时 单片机控制 GP2 芯片发出一串确定的含有相位变化的脉冲序列 该序列被送至超声波发射 电路 驱动发射超声波在管道中传输并通过接收电路返回 接收到的整形后的 收波脉冲先通过控制电路 使系统自动调整增益为最适合测量的大小 此时 变为最佳增益的收波脉冲通过脉冲提取电路 将提取出的有效 Stop 信号传给 GP2 计算出单程传输的时间 经过顺流逆流两次测量得到精确时差 在单片 机中进行数据处理 根据时差法原理计算出相应的流量及流速 存储于 FLASH 中 并在 LCD 上显示 3 2 时差测量电路 时差法超声波流量计测量流量的关键是对于时差的精确测量 因而 对于 顺逆流时间差测量的方法选择对于流量计精确与否至关重要 本设计采用了一 款高精度的时间间隔测量数字转换芯片 TDC GP2 来进行时差的测量 TDC GP2 以下简称 GP2 是德国 ACAM 公司通用 TDC 系列的新一代产品 它具 有高精度和小封装的特点 尤其适合于低成本的工业应用领域 另外 它还提 供了与微处理器的多种接口方式 用户可以很方便地用它构成自己的系统或仪 器 GP2 由脉冲发生器 TDC 时间数字转换单元 ALU 算术逻辑单元 配置 寄存器 控制单元 SPI 接口及测温单元等模块组成 该芯片的内部结构如图 3 2 所示 脉冲发生器 触发脉冲发生器可产生频率 相位和脉冲个数都可调的脉冲 序列 高速振荡器频率用作基本频率 这个频率在内部被倍频 它还可以自由 地除以因子 2 15 进行分频 可以产生 1 15 个脉冲序列 每个脉冲序列都可 通过设置寄存器来调节其相位 在本系统中 发送出 1 MHz 的 15 个脉冲序列 在其第 8 个脉冲处产生相位翻转作为真正的 Start 信号 这样就可以从收波中相 应位置提取出脉冲作为 Stop 信号 TDC 模块 本系统采用 GP2 芯片的测量范围 2 其测量范围为 5OOns 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 9 4ms 在测量范围 2 中 采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔 此模式 下 TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔 仅测量从 Start 信号或者 Stop 信 号到相邻基准时钟的上升沿之间的间隔时间 Finecounts 在两次精密测量之间 TDC 记下基准时钟的周期数 Coarsecount 在 3 3V 250C 的条件时 GP2 的 最小分辨率为 65ps 图 3 3 为测量范围 2 的测时原理 图 3 2 GP2 芯片内部结构图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 10 图 3 3 测量范围 2 测量原理 ALU 模块 在测量之后 算术逻辑单元根据计算公式 12 21 CalCal HITHIT tCoarseCounXRES ClkHSDiv ref TXRESTime2 计算时间 将 32 位定点数结果送到结果寄存器中 选择 ALU 空闲作为中 断源 只要结果寄存器中有可读的数据 中断标志位就会置位 然后输出寄存 器的载入指针增 1 并指向下一个要存储的单元 状态寄存器的位 0 2 可以显示 出载入指针的实际位置 配置寄存器 用来根据用户的需要对芯片进行设置 控制单元 根据芯片的具体设置 控制各个模块进行工作 SPI 接口 用于单片机与 GP2 之间的通信 测温单元 温度测量是全自动的 通过单片机发送代码来启动温度测量 GP2 自动控制 4 次测量 测量完成之后中断标志置位 四次测量数据被存储在 寄存器 0 3 中 时差测量的主要电路如图 3 4 所示 本设计的脉冲频率为 1MHz I O 电压 和 Core 电压为 3 3V 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 11 图 3 4 时差测量电路 这个 NC7S14 是一个高性能 CMOS 施密特触发器的输入逆变器 3 3 单片机及其外围电路 考虑到低功耗 集成度高 外围设备丰富等优点 系统选用了 MSP430 单 片机 MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司推出的 16 位超低功耗 高性能产 品 它具有处理能力强 运行速度快 资源丰富 开发方便等优点 有很高的 性价比 在世界各国己经得到了广泛的应用 在国内已经进入了飞速发展的阶 段 其具体优势体现在 在超低功耗方面 其处理器功耗 1 8V 3 6V 0 1 400uA 250uA MIPS 和口线输入漏电流 最大 50nA 远低于其 它系列产品 在运算性能上 其 16 位 RISC 结构 使 MSP430 单片机在 8MHz 晶振工作 时 指令速度可达 8MIPS 不久还将推出 25 30MIPS 的产品 同时 采用了 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 12 一般只有 DSP 中才有的 16 位多功能硬件乘法器 硬件乘一加 积之和 功能 DMA 等一系列先进的体系结构 大大增强了它的数据处理和运算能力 可以有 效地实现一些常用的如 FET DTMF 等数字信号处理的算法 在开发工具上 MSP430 系列单片机支持先进的 JTAG 调试 其硬件仿真 工具 仿真器 只是一个非常简单的并口转换器 而且适用于所有 MSP430 系列 单片机 既便于推广 又大大降低了用户开发投入 其软件集成环境由著名的 IAR 公司提供 功能比较完善 实际使用效果并不亚于其他成熟的开发环境 在系统整合方面 MSP430 系列单片机结合 TI 的高性能模拟技术 根据其 不同产品 集成了多功能模块 包括定时器 模拟比较器 多功能串行接口 LCD 驱动器 硬件乘法器 10 12 位 ADC 12 位 DAC 看门狗定时器 I O 端口 DMA 控制器 2 l 0KB 的 RAM 以及丰富的中断功能 使用户可以根 据应用需求 选择最适合的 MSP430 系列产品来实现 另外 大部分 MSP430 系列单片机采用 FLASH 技术 支持在线编程 并有保密熔丝 其 BOOTSTRAP 技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段 MSP430 系列 单片机均为工业级产品 性能稳定 可靠性高 可用于各种民用 工业产品 本系统采用了该系列中的 MSP430F413 单片机作为流量计的核心 用来协 调控制整个系统的通信 测量 计算 显示等工作 MSP430F413 为 64 引脚的 QFP 封装 具有 8K 256B 的 FLASH 存储器及 256B 的 RAM 并有 DMA 串 行通信模块和片内比较器 A 等丰富的功能模块 完全满足超声波流量计硬件设 计的需要 单片机的外围电路连接及口线利用情况如图 3 5 所示 其中 P3 0 P3 7 用 来作为键盘识别电路的输入和输出 P6 1 P6 4 和 P2 1 连到 GP2 上 作为 GP2 的复位控制以及用于进行 SPI 通信 P1 0 和 P1 1 用来与 PC 机进行通信 P6 6 和 P6 7 作为顺逆流及 GP2 的控制信号 P4 0 P5 2 连接到 LCD 模块各管 脚用作控制和数据传输 另外单片机的 54 57 脚作为 JTAG 接口 用于在线的 程序下载仿真 此外其它剩余引脚主要用于连接电源 时钟晶振以及一些外围 芯片 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 13 图 3 5 单片机管脚连接 3 4 超声波收发处理电路 超声波收发处理电路结构框图如图 3 6 所示 图 3 6 收发处理电路结构框图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 14 发射部分 由 GP2 发出的脉冲序列 先通过 SN74LVC4245A 芯片选择通 路 然后驱动超声波换能器向管道中发射超声波信号 接收部分 向管道中的发送的超声波信号进入超声波接收探头就产生了收 波信号 由于在空间管道中传输 对信号衰减很大 导致收波信号十分微弱 所以必须通过放大电路对其进行信号放大 本设计超声波换能器发射的超声波 信号强度比较强 接收信号时不需要放大 放大的信号通过高速双差分比较器 MAX9140 整形成标准的数字脉冲信号 进入 MCU 进行相关处理 MAX9140 是单路高速比较器 优化应用于 3V 或 5V 电源供电的系统 MAX9140 的输入共模范围都允许超出电源范围 无需外接电路供给 输出可以 拉到两个电源端的 0 3V 之内 适合于 CMOS 和 TTL 逻辑接口 所有输入输出 引脚都可以承受与任一电源端短路的故障条件 即使在输入信号变化较慢时 内部滞回功能也能够保证干净的输出状态切换 具有高速 低功耗和低成本等 特性 SN74CBT1G125 是单一高速线路开关 当输出使能端为高电平时 开 OE 关不导通 3 5 显示电路 显示电路部分是流量计使用过程中人机交流的唯一途径 它接收所有的人 为输入 并为仪器操作提供界面环境 是所有电路模块中与使用人员最接近的 部分 本系统的显示电路主要由液晶显示屏 LCD CA12232A1 及 4x4 无源小键 盘组成 CA12232A1 是 STN 点阵式液晶 显示大小为 122x32 个点 有 16 个 引脚 内含两块 SED1520 点阵液晶驱动器 采用双向 8 位总线传输数据 所以 可通过单片机口线发送指令 直接控制 LCD 显示字符 CA12232A1 兼容 3 3V 电压 需要提供负电压 4x4 无源小键盘直接与单片机 P3 口线相连 并接有上 拉电阻和外接 3 3V 电压 LCD 显示电路如图 3 7 所示 如图 3 7 7 14 引脚为八个数据位引脚 5 6 引脚为片始能信号 4 脚为 数据 指令选择位 3 脚为对比度调节引脚 其中负电源由 ICL7660 提供 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 15 图 3 7 LCD 显示电路 图 3 8 矩阵键盘 ICL7660 独特的 CMOS 电源电路芯片 ICL7660 将电源电压转换为负值 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 16 3 6 串口通信电路 为了能够将流量流速等大量测量数据进行实时的保存 本系统设计了与 PC 机通信 232 接口 为工作人员对数据的存取和分析带来了极大的方便 系统采 用 MAX3223 芯片实现与上位机的串行通信 图 3 9 为其连接电路图 图 3 9 串口通信电路原理图 3 7 制作 PCB 版 运用 protel99se 绘制原理图和制作 PCB 版 设计流程 图 3 10 为设计流程 图 第一 在进行 PCB 设计之前 首先要准备好原理图 SCH 的元件库和 PCB 的元件库 元件库可以用 peotel 自带的库 但一般情况下很难找到合适的 最 好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库 原则上先做 PCB 的元件 库 再做 SCH 的元件库 PCB 的元件库要求较高 它直接影响板子的安装 SCH 的元件库要求相对比较松 只要注意定义好管脚属性和与 PCB 元件的对应 关系就行 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 17 第二 PCB 结构设计 这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位 在 PCB 设计环境下绘制 PCB 板面 并按定位要求放置所需的接插件 按键 开 关 螺丝孔 装配孔等等 并充分考虑和确定布线区域和非布线区域 第三 PCB 布局 布局说白了就是在板子上放器件 这时如果前面讲到的 准备工作都做好的话 就可以在原理图上生成网络表 Design Create Netlist 之后在 PCB 图上导入网络表 Design Load Nets 就看见器件哗啦啦的全堆 上去了 各管脚之间还有飞线提示连接 然后就可以对器件布局了 一般布局 按如下原则进行 按电气性能合理分区 一般分为 数字电路区 即怕干扰 又产生干扰 模拟电路区 怕干扰 功率驱动区 干扰源 完成同一功能的电路 应尽量靠近放置 并调整各元器件以保证连线最为 简洁 同时 调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁 对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度 发热元件应与温度敏感 元件分开放置 必要时还应考虑热对流措施 I O 驱动器件尽量靠近印刷板的边 靠近引出接插件 时钟产生器 如 晶振或钟振 要尽量靠近用到该时钟的器件 在每个集成电路的电源输入脚和地之间 需加一个去耦电容 一般采用高 频性能好的独石电容 电路板空间较密时 也可在几个集成电路周围加一个钽 电容 继电器线圈处要加放电二极管 1N4148 即可 布局要求要均衡 疏密有序 不能头重脚轻或一头沉 需要特别注意 在放置元器件时 一定要考虑元器件的实际尺寸大小 所 占面积和高度 元器件之间的相对位置 以保证电路板的电气性能和生产安装 的可行性和便利性同时 应该在保证上面原则能够体现的前提下 适当修改器 件的摆放 使之整齐美观 如同样的器件要摆放整齐 方向一致 第四 布线 布线是整个 PCB 设计中最重要的工序 这将直接影响着 PCB 板的性能好坏 在 PCB 的设计过程中 布线一般有这么三种境界的划分 首先 是布通 这时 PCB 设计时的最基本的要求 如果线路都没布通 搞得到处是飞 线 那将是一块不合格的板子 可以说还没入门 其次是电器性能的满足 这 是衡量一块印刷电路板是否合格的标准 这是在布通之后 认真调整布线 使 其能达到最佳的电器性能 接着是美观 布线时主要按以下原则进行 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 18 一般情况下 首先应对电源线和地线进行布线 以保证电路板的电气性能 在条件允许的范围内 尽量加宽电源 地线宽度 最好是地线比电源线宽 它 们的关系是 地线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最细宽 度可达 0 05 0 07mm 电源线一般为 1 2 2 5mm 对数字电路的 PCB 可用宽 的地导线组成一个回路 即构成一个地网来使用 模拟电路的地则不能这样使 用 预先对要求比较严格的线 如高频线 进行布线 输入端与输出端的边线 应避免相邻平行 以免产生反射干扰 必要时应加地线隔离 两相邻层的布线 要互相垂直 平行容易产生寄生耦合 振荡器外壳接地 时钟线要尽量短 且不能引得到处都是 时钟振荡电路 下面 特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积 而不应该走其它信号线 以使 周围电场趋近于零 尽可能采用 45 的折线布线 不可使用 90 折线 以减小高频信号的辐射 要求高的线还要用双弧线 任何信号线都不要形成环路 如不可避免 环路应尽量小 信号线的过孔 要尽量少 关键的线尽量短而粗 并在两边加上保护地 通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时 要用 地线 信号 地线 的 方式引出 关键信号应预留测试点 以方便生产和维修检测用 原理图布线完成后 应对布线进行优化 同时 经初步网络检查和 DRC 检查无误后 对未布线区域进行地线填充 用大面积铜层作地线用 在印制板上 把没被用上的地方都与地相连接作为地线用 或是做成多层板 电源 地线各 占用一层 第五 布线优化和丝印 优化布线的时间是初次布线的时间的两倍 确认 无误后 就可以铺铜了 Place polygon Plane 铺铜一般铺地线 注意模拟地 和数字地的分离 多层板时还可能需要铺电源 对于丝印 要注意不能被器件 挡住或被过孔和焊盘去掉 同时 设计时正视元件面 底层的字应做镜像处理 以免混淆层面 第六 网络和 DRC 检查和结构检查 首先 在确定电路原理图设计无误 的前提下 将所生成的 PCB 网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 19 络检查 NETCHECK 并根据输出文件结果及时对设计进行修正 以保证布 线连接关系的正确性 网络检查正确通过后 对 PCB 设计进行 DRC 检查 并根据输出文件结果及时 对设计进行修正 以保证 PCB 布线的电气性能 最后需进一步对 PCB 的机械 安装结构进行检查和确认 第七 制版 在此之前 最好还要有一个审核的过程 了解原理 绘制元件原理图封装 绘制原理图连线检查电气连 接 制作元件 PCB 封装 导入 PCB PCB 结构设计 PCB 布局 布线 布线优化和丝印 DRC 检查和结构检查 制版 图 3 10 制作 PCB 版流程图 4 系统调试与分析 21 4 系统调试与分析系统调试与分析 4 1 发射电路的调试 发射电路最初采用 74LS00 与非门构成 1MHz 晶体振荡器未出现异常 通电 后并未有振荡信号 晶体振荡器未出现异常 经研究发现 应选择 HC 的或 HD 的 MOS 输入的门才行 问题在于振荡电路是将非门当成线性反向放大器来使用 HC 只要加个 10 兆电阻即可 此时仍有足够的放大倍数 约 100 LS 加个 1 兆 电阻仍是非线性状态 不可能振荡 需要 5 千才能线性 但此时负反馈太深 放大倍数过小 小于 10 仍不可能振荡 故系统最终选择 SN74CBT1G125 4 2 接收调理电路的调试 由 MAX9140 比较器对信号进行整形成标准的数字脉冲信号 进入 MCU 进行相关处理 具体电路第三章有所描述在电路设计之初 对设计电路进行仿 真 中心频率为 1MHz 滤除干扰 达到设计目的 MAX9140 是单路高速比较 器 优化应用于 3V 或 5V 电源供电的系统 MAX9140 的输入共模范围都允许 超出电源范围 无需外接电路供给 输出可以拉到两个电源端的 0 3V 之内 适 合于 CMOS 和 TTL 逻辑接口 所有输入输出引脚都可以承受与任一电源端短 路的故障条件 5 结论 22 5 结 论 超声波流量计以其独特的优点在工业界获得了广泛应用 但由于超声波流 量计本身的特点 它在某些方面还存在很多不足 主要是测量的精度不高 易 受测量环境的影响 稳定性和可靠性较差 价格较为昂贵 本人在深入研究传统超声波流量计工作原理的基础上 对相关的测量原理 进行了论述 并根据测量原理确定了合理的设计方案 吸收和利用了当代超声 波测量领域和电子行业的一些新思想 新技术 根据超声波的传播特性及工作 环境的抗干扰要求 设计了时差法超声波流量计 对其硬件电路进行了详细的 分析 设计出时差测量电路 单片机及其外围电路 超声波收发处理电路及显 示电路 同时给出了具体的电路原理图 此外 在设计中 我们通过改进算法