智能化超声波液体流量计的设计毕业设计论文 - 图文

智能化超声波液体流量计的设计

摘 要

经过充分的调研并查阅了大量的文献资料，以及对国类外各种流量计进行了分析比较[8,9,13,14,16]，本设计采用时差法和多普勒法测量原理，研制具有国内外先进水平的多用途超声波流量计。

首先分别说明时差法和多普勒法的测流量的工作原理，以及超声波传感器的特性，超声波信号检测及测量控制原理，简诉了超声波流量计的总体设计和特点。本设计用单片机做主控芯片，集时差法和多普勒测量法于一体的智能化超声波液体流量计，包括了主机和流量变送器，流量变送器将检测到的数据传送到主机进行显示，并且由主机控制变送器工作，采用了自动增益控制电路以保证微弱信号也能得到有效放大并采取了一定的噪声抑制措施，具有较强的抗干扰能力。

关键词：超声波流量计，时差法，多普勒法，自动增益控制，公共通道

I

ABSTRACT

Adequate access to a lot of research and literature, as well as a variety of categories of countries are analyzed and compared flowmeter, the design uses the time difference and Doppler measurement principle, the development of domestic and international advanced level with a multi-purpose ultrasonic flow dollars.

First of all, note the time difference, respectively, and Doppler flow measurement method of the working principle and the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic signal detection and measurement of control theory, Jane v. the ultrasonic flowmeter of the overall design and characteristics. Designed to do this single-chip microcomputer control chip, set the time difference and Doppler measurements in one intelligent ultrasonic liquid flow meter, using the automatic gain control circuit to ensure that weak signal amplification can be effective and to take a certain amount of noise suppression measures, with strong anti-interference ability.

KEY WORDS: Utrasonic flowmeter,Time difference method,Doppler method,Agc,Public access

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目 录

摘 要 .................................................................... I ABSTRACT ................................................................ II 第1章 引 言 ............................................................. 1

1.1 超声波流量计的发展趋势 ............................................ 1 1.2 常用流量计类型和性能比较 .......................................... 2 1.3超声波流量计 ...................................................... 3

1.3.1多普勒超生波流量计 ........................................... 3 1.3.2 时差法超生波流量计 .......................................... 4

第2章 超声波流量计原理 .................................................. 5

2.1 超声波简介 ........................................................ 5

2.1.1超声波的频率 ................................................. 5 2.1.2超声波的发生 ................................................. 5 2.1.3 超声的传播 .................................................. 5 2.1.4 超声与生物组织间的相互作用 .................................. 6 2.2基于时差法超声波流量测量原理 ...................................... 7 2.3 基于多谱勒超声波流量测量原理和工作特点 ............................ 9

2.3.1多普勒超声波流量计工作特点 .................................. 10 2.3.2多普勒超声波流量计应用注意事项 .............................. 11

第3章：智能化超声波流量计的总体设计 .................................... 12

3.1超声波流量计的系统概述 ........................................... 12 3.2流量计主机 ....................................................... 12 3.3 流量变送器 ....................................................... 14 3.4设计特点及难点分析 ............................................... 16 第4章 流量计主机设计 ................................................... 18

4.1 LCD显示控制电路的设计 ........................................... 18 4.2存储器电路的设计 ................................................. 19

4.3实时时钟电路的设计 ............................................... 21 4.4按键电路设计的设计 ............................................... 21 4.5通讯控制电路的设计 ............................................... 23 4.6其它接口电路 ..................................................... 24 第5章 流量变送器 ....................................................... 26

5.1 信号放大电路的设计 .............................................. 26 5.2 滤波电路的设计 ................................................... 27 5.3自动增益控制电路的设计 ........................................... 28 5.4电压比较电路的设计 ............................................... 30 5.5 逻辑控制电路的设计 ............................................... 31 5.6计数器 ........................................................... 33 5.7存储器和串行口 ................................................... 34 5.8隔离驱动的设计 ................................................... 34 5.9切换电路 ......................................................... 35 5.10 继电器逻辑控制电路 .............................................. 36 第6章 实验测试分析与改进 ............................................... 37

6.1实验结果及其分析 ................................................. 37 6.2超声波流量计设计改进 ............................................. 39 6.3流量测量精度分析及计算 ........................................... 40 第七章 结束语 ........................................................... 43 致 谢 ................................................................... 45 参考文献 ................................................................. 1 附录 ..................................................................... 3

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第1章 引 言

我国水资源相当匮乏，分布也不平横，随着国民经济的发展，我国水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，对水量的计量精度要求也越来越高，特别是对大型引水、城市供水等大流量计的计量，要求流量计的精度很高，因为很小的测量误差就会产生很大的流量误差，因此带来的直接经济利益是一个很可观的数目。因此需要有高精度、大流量、使用方便、价格合理的水流量计。

1.1 超声波流量计的发展趋势

随着石油和天然气工业的强势增长，以及行业对于现场设备技术的逐步接受，超声波流量计的全球市场总额将在今后5年内以9.6%的复合年增长率(CAGR)增长。ARC Advisory Group最近的一份报告指出，2005年该市场总值为2.75亿美元，到2010年将超过4.34亿美元。

超声波流量计正在快速发展成为流量测量领域，尤其是计量碳氢化合物的首选。ARC这份名为《世界超声波流量计前景展望》的主要作者、自动化分析师Allen Avery表示：尽管超声波流量测量技术的出现已经有数十年了，其应用范围却非常小。而随着用户逐渐认识到超声波流量计的众多优点，包括高精确度、无阻碍测量以及较低的总体拥有成本等，这一情况将逐渐改观。

(1)在石油和天然气领域快速普及

最近几年超声波流量计市场的一切增长，几乎都是由于这种产品在石油和天然气领域销量的增加而带来的超声波流量计在这一领域的销量比起以前将近翻了一倍。由于AGA9监护运输标准的推广，天然气的监护运输市场已经基本成形。在2003年到2005年间，监护运输量增加了三倍多，而这一领域占超声波流量计销售的5%。只有液体碳氢化合物监护运输的API和OIML标准在行业内得到推广，超声波流量计才能在这个领域普及。

(2)超声波流量计具有高精确度和低总体拥有成本

不论是从技术上还是从经济上看，超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。通过多光束和数字信号处理，超声波测量仪可以实现很高的测量精确度。与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的元件，因此几乎不需要维修。而且，它也不会阻挡或者减慢管道

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第1章 引言

中气体或者液体的流动。它能够准确地测量液态石油气产品的宽频，而不需像机械型技术那样得到验证。高灵敏度使其可以检测到管道中的任何泄漏，并可以测量和补充各种会影响监护运输领域中的测量准确度的变量。

(3)亚洲和中东市场增长最大

亚洲和中东地区超声波流量计的增长将会是最大的。中国和印度将会在基础设施和新工厂上大举投资。中国能源缺乏，为了寻找推动经济快速发展的能源，将会对其石油和天然气基础设施进行改造，并建立连接俄罗斯及其它地区供油商的管道。而由于中东地区在石油和天然气生产中的地位，这一地区将仍然是超声波流量计供应商的沃土。这一地区亦将在数个大型发电及海水淡化厂上进行投资。相比之下，北美市场的增长则显得相对平淡，但由于这一地区在石油和天然气基础设施及工业自动化上的投资，北美市场将仍然具有可观的增长。

1.2 常用流量计类型和性能比较

目前的流量计有机械式、电阻式、电磁式、光电式等类型[6,9]。机械式流量计如使用萨卧纽斯（savonius）是由三个圆形平板和两组半圆形翼构成,半圆形翼（叶片）在水流的冲击下使转轴旋转，转子的转速与流体的流速成正比，由计数电路测得转子的计数值，计量出流体的流速，但是，这种流量计的精度不高。

电阻式旋浆流数传感器由旋浆、电极、转轴、轴承和测杆等构成，当旋浆置于待测水中时，浆叶的迎水面和背水面的流速不同，故在水流方向产生压差，所产生的推力使旋浆转动。流体的流速与单位时间内旋浆的转速接近线性关系，在控制电路的的作用下，可定时记录旋浆的转速，计算出流速，这种流量计测量出的流速范围较小，精度也不高。

电磁式流速传感器是利用导体在磁场中做切割磁力线运动时，导体上产生感应电动势。水是导体，当水流垂直于电极方向运动时，由于水流切割磁芯顶端的磁力线，故在电极两端产生感应电动势，该电动势通过引线传送到检测仪表，当传感器的结构、磁芯和激励电源确定后，磁感应强度即为定值，电极间的距离也固定。因此，水流动时产生的电动势与流速成线性关系，计算出流速，但这种流量计要求测量场所不能有强的电磁干扰，传感器表面不能有气泡或油污，否则会影响检测精度。

光电式流速传感器由光源、光敏元件、光纤、带反光镜片的叶轮、转轴、测量框架和测杆等组成，叶轮的一个叶片边缘贴上一层极薄的反光镜片，叶轮在水流或气流的推

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动下转动一周，光纤的传输光反射一次，接受端经光电转换后产生一个电脉冲信号，检测电路检测并计算出转速，最后计算出流速，但流体中有杂质时会影响测量的精度。

实践证明这些流量计的测量范围、精度都较低，一般用于精度要求不高、流速较低且流量较小的场合，远远达不到诸多供水系统的要求，而利用超声波测量原理来测量流量能达到较高的精度。

1.3超声波流量计

超声波流量计有相关超声波流量计和应用空间滤波器的超生波流量计等，应用最广泛的是一种利用多普勒效应的多谱勒超生波流量计[12,17,19]，另一种是利用超声波在流体中顺、逆流传播速度变化来测量流速而计算出流量的流量计。

1.3.1多普勒超生波流量计

多普勒超声波波流量计是利用多普勒（Doppler）效应,它是利用超声波在有悬浮颗粒或有气泡的流体的传播过程中由于悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的，它只适用于含有杂质颗粒或气泡的场合。

当发射传感器A与接受传感器B都装在与管道轴线为θ的两侧，且都迎着流向，当平均速为v，声波在流体中的速度为c时，接收到的频率f2将比原发射频率f1略高，其差△f即多普勒频移，可用1-1式表示：

?f?f平均流速为1-2式：

v?2?f1?2vcos?f1 (1-1)

cc?f (1-2)

2f1cos?

这种流量计可测量的流体包括生活污水、工业废水、机油、重油、及其它非均匀流体，适用管材为金属、橡胶和塑料等，流速范围可达到16m/s,使用管径达到3米，测量精度达到2.0级。由于适用范围广，测量精度高，因此得到了广泛的应用，目前国也有比较多的厂家生产此类产品。

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第1章 引言

1.3.2 时差法超生波流量计

时差法超声波流量计的原理是利用超生波在流体中顺、逆流传播速度变化，引起超声波的传播时间变化，根据传播时间差来测量流速而计算出流量[20]。

时差法流量计可测量的流体包括水、海水、污水、酸碱、汽油、柴油等均匀流体，浊度小于10000度（mg/1）,微粒小于1mm，管材可以是钢、铸铁、有机玻璃、PVD管材、玻璃钢管等，管径可以大到20米，明渠宽度可以更大，测量精度圆管可以达到1.5级，经过校正后可以达到0.5级，对于明渠测量精度达到2.0级。由于测量精度高，测量的流量大，在大流量测量如供水系统中得到了广泛运用。国内目前生产的此类流量计大多只能测量较小流量的范围，管径一般在3米以内，国外同类产品的测量范围较大，测量管径可达15～20米，测量精度也较高。

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第2章 超声波流量计原理

2.1 超声波简介 2.1.1超声波的频率

超声波频率 f ≥ 20KHz ， 诊断超声波频率一般范围在 0.5～80MHz ，其中 3～10MHz 最常用。

2.1.2超声波的发生

超声波可由多种物理能量转变而成，需经过换能器进行转换。目前最常用的换能器是压电陶瓷即压电晶体，在交变电场的作用中产生厚度的交替改变即声振动 , 当电场交变频率与压电晶体的固有频率一致时，换能器的电转换（电声）效率最高，即晶体的振幅最大。压电晶体常具有两种可逆的能量转变效应：由电能转变为声能时称逆压电效应；相反，由声波的压力变化传至压电晶体后其两端的电极随声波的压缩（压力）与张弛（负压）发生正负电位交替变化，称正压电效应。在逆压电效应中压电晶体成为超声发生器；在正压电效应中压电晶体成为回声接收器。

天然的压电晶体以石英为代表，另有机压电薄膜材料（聚偏氟乙烯 PVDF ）其声阻抗与人体软组织声抗十分相近，检查时减少中间传递的声能量损失。压晶体在制成一个器件后称超声探头，探头在发生超声时称为声源。

2.1.3 超声的传播

从声源发生的声能抵达另一物体时为超声的传播，超声是以波的形式传播的，分纵波、横波、板体波、表面波等。人体内除骨骼外，在所有软组织中几乎所有都是以纵波的形式传播的。

1 、频率 f ： 由声源决定。 周期 T=1/f 2 、声速 c ： 由传播媒质决定。 3 、波长 l ： l =c/f=CT

4 、声扬： 声源发出的声波在介质内所影响涉及的范围。

A ）指向性：声源直径大于波长时，声束集中在一个狭小的立体角内发射的特性。

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第2章 超声波流量计原理

B ）近场： 以接近于圆柱样的形态传播，称 Fresnel 区。 C ）远场： 呈倒圆椎形分布。

D ）声轴、声束、束宽（ beam axis 、 beam 、 beam width) E ）分辨力： 是指 超声波辨别两个相邻物体的能力。

侧向分辨力取决于激励电脉冲的长度及探头的阻尼程度，横向分辨力取决于声束的宽度；用减少脉冲的以及增加探头的阻尼以提 高轴向分辨力，用声束聚焦的方法可以提高横向分辨力。

F ）聚焦声束：非聚焦式声束其侧（横）向分辨力等于或大雨声源的直径，因而其噪声大，组成图形的光点粗糙，使细小 结构不易辨认。

2.1.4 超声与生物组织间的相互作用

（1）声阻抗与界面：

声阻抗：为声波传递介质中某点的声压和该点速度的比值，它等于密度与声速的乘积。

界面：两种不同声阻抗物体的接触面，界面意味着声传播中的不连续，分大界面（尺寸大于束宽）、小界面（尺寸小于束宽，也即体内小于 2mm 的组织）。

（2）散射：入射超声遇小界面时，呈散射模式，变平面波为球面波。脏器或组织内部的微小结构对入射超声散射现象，是超声成像研究内部结构的重要根据。

（3）反射与透射：入射声遇到大界面时，属镜面反射模式。入射声遇到大界面时后进入第二个介质——透射声。

（4）折射与全反射：穿过大界面的透射声，可能沿入射声束的方向继续进行，亦可能偏离入射声束的方向而传播－－超声折射。全反射会造成第二种介质的“失照射”，形成由于折射现象而造成的声影，称“折射声影”或“ 速差声影” ，在诊断分析中应予注意。镜面反射的回声振幅甚高，在 04～0dB 间（以软组织与空气间界面的反射振幅为参考振幅，等于 0dB；而散射回声的振幅为 36～1000 dB 。因而，必须使用能兼顾极强与极弱信号的大动态范围的对数放大器，方可获得内容丰富的成像效果。 (5)绕射：当声束传播过程中在一个障碍物的边缘经过，而声束的边缘与界面边缘之间的距离小于 1～2 个波长，界面边缘的声束向该一界面弯曲变化的现象称为绕射。两者之间距离越小，声束偏向越明显。

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（6）干涉：入射回声与入射超声在空间相会，产生相位迭加或抵消，在近场区内因离轴声场的起伏变化，更易产生各种干涉现象，造成图形上的亮斑及暗斑。

（7）衰减： 入射超声在介质中传播最终转变为反射回声、散射回声、声吸收（声能变成热能），蛋白质对超声衰减 最大（占80%），尤其胶原蛋白、纤维组织水分的衰减最小。

（8）动目标回声频移（多普勒效应）：移动目标的反射或散射回声其频率与入射超声不同，向高端或低端变化，各频移动目标回声频移现象即为超声多普勒效应。常用卷轴式显示法描出多普勒，认定需基线。

2.2基于时差法超声波流量测量原理

超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量，这种方法也不会造成压力损失，并且用于大管径、非导电性、抗腐蚀性的液体或气体流量的测量。超声波的发射和接受都要换能器（传感器），通常把发射和接受传感器做成完全相同的材质和结构，可以互换使用或进行双向收发。

时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）测量原理如图2-1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流体流速来测量流量的一种间接测量方法。

逆流换能器 Flow direction L td tu D 顺流换能器 图2-1 时差法超声波流量测量原理示意图

图2-1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内径为D，超声波行走的路径为L，超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流

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第2章 超声波流量计原理

动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用（2-1），（2-2）式表示：

td?tuLc?Vco?sL?c?Vco?s （2-1）

其中：c是超声波在非流动介质中的声速， V是流体介质的流动速度，tu和td 之间的

?t?tu?td??LLL?c?Vcos?c?Vcos?2Vcos?c2?V2cos2?差为： 2VLcos??c2?V2cos2?2VXc2?2?V?21???cos??c? （2-2）

式中X是两个换能器在管线方向上的间距。

为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：

V? V??c?????c?2?0??1

上式可以简化为（2-3）式： ?t?也就是流体的流速为：

c2?t V?

2X2VXc2 （2-3）

由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。 流量 Q可以表示为（2-4）式： Q??D24?Vd t (2-4)

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2.3 基于多谱勒超声波流量测量原理和工作特点

多普勒超声波流量计可用声波或频率高于20kHz的振动探测管道的流量。按照设计需要，产品可利用管道周边安装的浸湿性或未浸湿性变送器耦合管道内流动体的超声波能量。

换能器1 o c v c 图2-2 多普勒超声波流量计工作原理图 换能器2 多普勒超声波流量计为利用多普勒效应工作。如图2-2所示其通过对流体中颗粒与气泡的反射，使得传输频率被线性改变。其最终结果是发射器与接收器频率之间的转换，该值与流速存在直接关系。多普勒流量计是因奥地利物理学家和数学家Christian Johann Doppler(1803～1853)而得名，多普勒在1842年预言接收的声波频率取决于声源或者与传播媒介相关的观测器的运动。为采用多普勒效应测量管道内的流量，其变送器可把0～0.5MHz的超声波转换成流体。流经此管道的液体必须包含声音反射材料如固体颗粒或者产生的汽泡，这些材料的运动可改变二次反射后到另一个接收转换器上的光波频率。这种频率变化与管道内材料的流动速度成线性正比，因此可用于形成一个与流速成正比的模拟或数字信号。定义多普勒流量计的基本方程如下： ?f?2fTsin??VF/Vs （2-5） 再通过Snell定律: sin?T/VT?sin?/Vs （2-6） 因此，从方程(2-5)和(2-6)我们可推出（2-7）式: VF??f/fT?VT/sin?T?K?f （2-7） 其中: VT?传播材料的声速； 9

第2章 超声波流量计原理

?T=传播波的角度； K=校准因子； VF=物料流速； ?f=多普勒频率变化； Vs=流体的声速； fT=传播频率； ?=fT进入流体的角度；

方程(2-7)清楚地表明:流体速度与多普勒频率变化具有线性函数关系。现在由于管道的内径D已知，采用如下方法可测量单位体积的流速V(如每分钟的加仑数):

V?K?VF?D2 （2-8） 其中，K是与VF和D单位有关的常数。

一台多普勒流量计可把发射和接收变送器安装到同一个外壳内，附于管道的一边。流动液体中的反射体可将发射器的信号返回到接收器，其频率变化与流动速度成正比;当两个变送器被分别安装在管道的相反两边，结果一样。

2.3.1多普勒超声波流量计工作特点

（1）优点：

? 可做非接触式测量：

? 为无流动阻扰测量，无压力损失;

? 可测量非导电性能液体，对无阻扰测量的电磁流量计是一种补充。 （2）缺点：

? 多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体。 ? 读普勒测量精度不高。 （3）应用概况：

? 气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；

? 多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体、例如：未处理污水、工厂排放液、脏流程度，通常不适用于非常清洁的液体。

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2.3.2多普勒超声波流量计应用注意事项

最基本注意事项是仔细阅读制造商的操作说明书。超声波流量计的早期问题可能是由于用户不理解某些基础步骤的重要性，如变送器在管道上的正确。无论何种情况下（如管道温度出现剧烈变化或非常规振动），都必须保持管道对声波的耦合及变送器的相关调整。

运用多普勒和时差流量计显示实际的单位体积流速时，被测管道的流体必须一直是满的。然而，如果两个变送器都安装在管道内的流体表面以下，多普勒流量计也能显示部分管道充满流体的流速。

绝大部分生产商都说明了仪表与上游和下游得阀、T形架、肘、泵以及类似物之间的最小距离。而且一般都是以管道直径表示，通常上游应为1020直径，下游为5直径。

另一方面，多普勒流量计的功能取决于流动液体中的反射物 。因此，为得到可靠的测量数据，必须注意有关固定颗粒或气泡的浓度和尺寸的下限。而且，流体速度还必须足够快以保证上诉材料处于悬浮状态，生产商将提供典型速度数值规范：如固态为6ft/s(1.8m/s)、而小气泡为2.5ft/s(0.75m/s).在过去的几年中，多普勒流量计一些供应商已推出了一些在1MHZ以上频度下工作的产品型号，这些产品要求在明净的液体中工作，因为其反射是在流体中的漩涡情况下发生。然而，如果有警告说明，是提醒用户限制该技术用于浓度低的气泡和颗粒情况，因为在超声波流量计的操作过程中，测量所需的能量仅通过部分测量的液体，Reynolds数（流体中惯性力与粘力的比率）会影响流量计的性能。例如，按上述的规定说明操作时，有些多普勒流量计和时差流量计要求的最小Reyonlods数分别为4000和10000。此处需强调的是，因为上述限制的原因，需要特别注意厂商说明书在这方面的指导。

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第3章 智能超声波流量计的总体设计

第3章：智能化超声波流量计的总体设计

3.1超声波流量计的系统概述

超声波流量计系统包括流量计主机、流量变送器和计算机，如图3-1所示。本系统只需具有流量计主机和流量变送器即可进行正常工作，通过流量计主机可完成流量计的所有设置和检测功能，增加计算机接口的目的是为了提供更好的人机界面、更加方便的参数输入方法、更加灵活多样的数据处理和打印输出方法和更大的数据存储空间。 流量变送器RS232计算机流量计主机RS485流量变送器流量变送 器 图3-1 流量计系统组成框图 一台流量计主机最多可以控制八个流量变送器工作，每个流量变送器可以测量一个截面，即每台主机最多可以测量八个截面，每个流量变送器可以接四条声路，最多可以扩展到八条声路，并可以接两个水位测量接口。流量变送器和主机通过RS-485接口连接，因此，主机可以和多台流量变送器直接连接，并且连接距离最大限度可以达到1200米。 微机软件主要由通讯检测子程序，参数传送和提取子程序，报表数据传送子程序，报表显示和打印子程序，图表显示程序组成。可在线读取来自流量计的参数，变量状况，测量数据报表，可通过微机软件对流量计进行参数传送，初始化流量计，可随时打印流量报表，在线显示各变量的图形趋势。 3.2流量计主机

流量计主机部分是整个流量计的控制和人机交互的中心，它的主要功能有： （1）进行上电自检、控制系统测量

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（2）控制显示和键盘工作 （3）系统参数设置和存储 （4）控制流量变送器工作 （5）计算流量和累计流量

（6）对流速和流量数据进行可靠性检验 （7）内插因掉电等原因引起的丢失数据 （8）断电检测功能 （9）控制输入输出功能 （10）出错告警功能

时钟电路LCD显示电源转换电路IC卡接口中央处理器（AT89C55）存储器串行口电路打印机接口按键电路蜂鸣器电路 3-2 流量计主机框图 超声波流量计主机原理框图如图3-2所示。主机的微处理器采用51系列单片（89C55或89C58），由于主机程序量较大，必须使用具有较大程序存储容量的单片机，89C55具有20K的程序存储空间，而89C58具有36K的程序存储空间，可以满足本设计的需求；显示器采用点阵式图形LCD显示器（MGLS24064），可以显示4行16x16点阵汉字，每行显示15个汉字，并且可以显示更大的点阵图形；存储器采用大容量闪速存储器（AT29C010A）[10],此存储器为EEPROM结构存储器，容量为128K字节，可以存储数字和汉字的点阵字库，也可以存储参数和流量统计报表等数据；时钟采用高精度实时时钟（DS12887）,此芯片具有计时精度高、并行操作接口、功能强大及应用简单等特点；通过8155扩展并行接口，连接微型打印机和键盘；具有IC卡功能接口；另外，具有双串口，一个RS-232接口专用于与计算机通讯，另一个RS-485接口可用于与流量变送器通讯，也可与计算机进行通13

第3章 智能超声波流量计的总体设计

信。

3.3 流量变送器

流量变送器是流量检测的核心部分，流量计精度的高低和可靠性的好坏都直接与这部分的设计和制作有关，流量变送器的主要功能有： 1 产生换能器发射驱动信号

2 检测处理接收信号并识别第一个正脉冲信号 3 进行自动增益控制 4 计算各声路的传播时间 5 计算水位换能器的传播时间 6 向主机回送测量的传播时间及状态 7 进行周期性系统检验

8 进行各声路之间和水位通道的切换

流量变送器的微处理器采用51系列单片机（89C55或89C58），实现流量变送器的控制功能，包括传感器驱动控制、驱动/接收转换控制、A/D和D/A控制、传播时间测量计算、通信控制等；采用三级放大电路，第一级和第三级采用增益手动调节的高增益带宽积的精密运算放大器，第二级采用电压控制增益运算放大器，实现自动增益控制；在三级放大之间各加入一个带通滤波器，去除低频和高频噪声，使有用信号顺利通过；在第三级放大之前加一个同相/反相转换器，以使最终的检测信号相位达到要求；经过三级放大之后的信号通过电压比较器进行比较得到零、过+0.2V、过-0.2V信号，送到逻辑分析电路进行处理；逻辑分析电路采用CPLD器件来实现，完成计数器停止控制；CPLD同时实现计数功能，计数器启动控制以及其它逻辑控制功能；基准时钟采用80M高精度、高稳定度的晶体振荡器；传感器驱动电路的输入控制信号通过高速光电隔离器件进行隔离，采用具有高速开关特性的MOSFET器件进行驱动控制；采用CPLD器件实现驱动/接收转换控制，利用快速电磁继电器进行穿管器之间的切换；通过A/D和D/A转换电路实现信号大小的检测，信号增益的控制，最终实现自动增益控制；采用串行接口的EEPROM存储器进行参数的存储；另外，具有RS-485串行接口。

图3-3为流量变送器原理框图。考虑到流量变送器的功能划分和可靠性方面的要求，将其设计成两块PCB板，其中一块叫做控制板，进行测量控制、参数存储、通讯控制及

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