王學(xué)瑞

河南省安陽市林州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心

超聲波流量計的研究

王學(xué)瑞

河南省安陽市林州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心

超聲波流量計采用高精度時間測量芯片TDC-GP2進(jìn)行時間測量，保證了測量的精度。本設(shè)計采用時差法原理進(jìn)行測量流體流速，進(jìn)而計算出瞬時流量。論文從流量計的發(fā)展歷史和背景到超聲波流量計的原理介紹了超聲波流量計。

超聲波流量計；時差法；單片機

1.緒論

1.1 流量計的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀概述

數(shù)千年前，人們就已經(jīng)開始關(guān)注流量測量的問題。20世紀(jì)60年代以后，測量儀表開始向精密化、小型化方向發(fā)展。我國早期所需的流量儀表均從國外進(jìn)口，直到20世紀(jì)30年代中期才出現(xiàn)光華精密機械廠所制造的家用水表[1]。至今，我國從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過230家。目前我國的流量裝置方面與國際水平仍存在較大差距。

1.2 超聲波流量計概述

超聲波是指聲音頻率高于人耳聽覺范圍的聲波，其頻率大于20KHz，與一般聲波相比，它的振動頻率高，波長短，具有束射特性，可以定向傳播，具有很強的穿透能力，在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減[2]。

超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)、精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認(rèn)為是較好的大管徑流量測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[3]。

2.時差法超聲波流量計的硬件電路設(shè)計

本設(shè)計硬件電路分為六個部分，分別為：時間測量芯片TDCGP2及其外圍電路、電路控制核心單片機STC89C58RD+、流量測量控制電路、電源穩(wěn)壓部分、LCM顯示模塊、蜂鳴器報警部分和串口通信部分。

時間測量芯片TDC-GP2的作用是測量超聲波在順、逆流時的精確傳播時間，其測量開始信號與結(jié)束信號分別由單片機和測量控制電路的過零比較器輸出端提供。電路控制核心單片機STC89C58RD+用于發(fā)出測量命令，控制TDC-GP2芯片F(xiàn)IRE1或FIRE2端發(fā)出脈沖，并在TDC-GP2時間測量結(jié)束時讀取測量數(shù)據(jù)并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計算出瞬時流量值，還對流量值進(jìn)行閾值報警以及LCM顯示的控制。流量測量控制電路由模擬開關(guān)、過零比較器、異或門和濾波部分組成。通過單片機對模擬開關(guān)的使能控制，可以確定超聲波發(fā)射時的狀態(tài)，即順流狀態(tài)或逆流狀態(tài)；異或門作為兩輸入單輸出的邏輯器件可以保證FIRE1和FIRE2端發(fā)射的脈沖都可以輸入到TDC-GP2芯片的START端作為測量開始信號；濾波部分可以濾除接收到的超聲波信號的低頻噪聲；過零比較器由放大器組成，將接收到的超聲波信號輸出為TDC-GP2芯片可以識別的矩形波脈沖信號，以此信號作為測量結(jié)束信號輸出給STOP1端。電源穩(wěn)壓部分可以準(zhǔn)確穩(wěn)壓出3.3V電壓，此電壓可以供給單片機、TDC-GP2使用[4]。

LCM顯示模塊、蜂鳴器報警部分均由STC89C58RD+控制，分別實現(xiàn)流量值顯示和報警功能。串口通信部分用于單片機和上位機進(jìn)行通信。

超聲波流量計硬件電路框圖

3.時差法超聲波流量計的軟件設(shè)計

本設(shè)計是由軟硬件共同組成的。硬件擔(dān)當(dāng)整個功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而軟件則是通過硬件最終實現(xiàn)全部功能的橋梁。

本設(shè)計的軟件部分采用模塊化編程，共分為以下幾個模塊：初始化子程序、測量子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、LCM顯示子程序和蜂鳴器報警子程序。

3.1 單片機STC89C58RD+軟件設(shè)計思路

本設(shè)計完成的功能：首先，軟件有三個平行的中斷源。一個是用于響應(yīng)外部測量命令的，即當(dāng)外部需要本系統(tǒng)進(jìn)行流量測量時便給單片機一個外中斷信號，由單片機響應(yīng)此中斷并進(jìn)行流量測量；另一個是用于自檢功能，即由單片機內(nèi)部的定時器定時（可設(shè)定定時時間），當(dāng)定時時間到，便進(jìn)行一次流量測量，由此周而復(fù)始，形成流量自檢；最后一個是用于響應(yīng)TDC-GP2的，當(dāng)TDCGP2時間測量結(jié)束時便給單片機發(fā)出一個中斷，單片機響應(yīng)此中斷，便從TDC-GP2中讀取測量數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。這三個中斷有兩個是單片機的外中斷，一個是單片機內(nèi)部定時器中斷，三個中斷由單片機默認(rèn)的優(yōu)先級順序進(jìn)行處理。

外部測量命令的發(fā)出可以通過在單片機STC89C58RD+的P3.3（INT1）引腳加上開關(guān)，每次按下開關(guān)便給單片機發(fā)出一個命令，即發(fā)出中斷，單片機響應(yīng)此中斷去調(diào)用測量程序進(jìn)行流量測量。在測量過程中，需要對TDC-GP2進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、初始化，對測量控制電路中的模擬開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，在時間測量結(jié)束后需要調(diào)用各個部分的子程序完成數(shù)據(jù)處理、顯示和報警。

結(jié)論

本文通過充分調(diào)研并查閱大量文獻(xiàn)資料，選擇基于TDC-GP2時間測量芯片的時間差法超聲波流量計,經(jīng)過調(diào)試,電路沒有錯誤,說明采用的時差法是可行的,設(shè)計基本能達(dá)到要求。

[1]蘭純純.時差法超聲波流量計的研究.2006.5

[2]吳元良，姚駿，李斌.TDC_GP2高精度時間測量芯片在時差法超聲波流量計中的應(yīng)用.2008.8

[3]李國洪，盛立，劉麗娜.基于MSP430F447的超聲波流量計的設(shè)計及實現(xiàn).2010.6

[4]姚濱濱，張宏建，唐曉宇，周洪亮.基于時差法和TDC－GP2的超聲波流量測量方法.2011.6