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超声波水流量计的设计

介绍超声波水流量计的原理以及在测量水流时所考虑的物理参数。本设计的硬件核心部分，采用高精度的TDC-GP2时间测量芯片以及STC89C58RD+单片机，成功地实现了瞬时流量的测量与辅助功能，具有较广阔的研究前景和应用价值。

0.引言

随着电子器件进一步研究和声楔方面材料等技术的发展，超声波脉冲测量流体流量的技术发展迅速。市面上流量计多样化，根据测量原理、方法和结构特征的不同，可将流量计分为超声波流量计、电磁流量计、涡轮流量计、差压式流量计、转子流量计等。本文设计的超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量，也可以用于不易接触和观察的介质的测量。尤其适合于测量不易接触的管道液体和大管径流体，从而解决了大管径、大流量和各种明渠、暗渠测量很困难的问题，且不会受到较多的因素影响，这些优点符合商家以及企业用户对水流量计的市场需求。

1.测量原理

1. 1测量流体的物理参数

本文在测量或者研究管道流体时，首先要了解被测量流体的流动规律和进行流量测量。所以，对于流体的密度、粘度、雷诺数等重要物理参数必须要清楚。查阅资料可以发现这些参数和流体所处环境的温度、压力密切相关，即所有流量测量结果都是在一定的温度和压力的环境下产生的。

1.1.1流体密度

在一般工业生产中，流体通常可视为均匀流体，而且流体密度是流体中重要的参数之一，表示为单位体积内流体的质量：

1.1.2流体粘度

粘度是流体粘滞性的一种量度。在工程上，液体的粘度受温度的影响，在压力很高的情况下才需考虑压力的影响。随温度的升高，液体粘度会降低，气体粘度则升高。流体动力粘

1.1.3雷诺数

在进行管道流量测量时，雷诺数代表着流态，既反映管道中的流体的特性，同时也反映管道的特性。

在流体流动时，雷诺数是惯性力和粘性力之比：

雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，反之， 惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动，例如雾 珠的降落或润滑膜内的流动过程，各质点间的粘 性力起重要作用，流体将平行于管道有规则地流 动，属于流态的层流流动状态。雷诺数很大的流 动，例如飞机近地面飞行时相对于飞机的气流，惯 性力则起重要作用，属于流态湍流流动状态。工 程实践中，常取&为2000。流态的判别标准为: 当雷诺数Re<2 000为层流状态，当雷诺数Re >

000为湍流状态。

1. 2时差法超声波水流量计的基本原理

时差法是目前比较常用的测量方法，本设计主要采用时差法，可以比较地测量流体流速。时差法是根据超声波传播速度的不同，测量顺、逆流传播时弓丨起的时间差来间接测量流体流速。时差法的基本原理如图1所示。

2.主要架构和设计原理

TDC-GP2由ACAM公司生产，属于通用 TDC系列产品，属于高精度时间测量芯片，有着很 小的封装。GP2有高速脉冲发生器，能停止信号 使能，温度测量和时钟控制等功能。数字TDC是 用信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度 时间间隔测量的，而且芯片上的智能电路结构、担 保电路和特殊的布线方法使得芯片可以地记 下信号通过门电路的个数。图2显示了这种测量 时间TDC的主要架构。

芯片的测量范围为2 us ~ 1. 8 ^s0 TDC在运 行中，INTN中断允许标志位触发高电位，START信号触发测量单元，直到收到STOP信号才停止， 但高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从 START和STOP到相邻的基准时钟上升沿之间的 时间间隔，并同时记下基准时钟的周期数。图3 为TDC-GP2芯片内部构造在超声波水流量计中与 LCM显示模块等模块连接的电路设计原理示 意图。

设计图中可以用市面上集成好的监控芯 片(例:美国IMP公司生产的系统#监控芯片-IMP706芯片）以及放大电路、显示模块、外设串口 与STC单片机集成的模块通过对应串口之间连 接，使得电路控制系统***小、***简化，以致于数据 处理较快，灵敏度较强。

3.STC89C51RD +系列单片机

3.1低功耗单片机STC

本文选择的是南通国芯有限责任公司采用*** 新技术生产的51系列STC89C51RD +单片机。它 是***新一代产品，具有低功耗、闻速、*抗干扰 的优点，其指令代码*兼容8051单片机，有3 个16位定时器/计数器，并且可以任意选择12时 钟/机械周期和6时钟/机械周期，同时有HD版本 和90C版本。实际的工作频率可达48MHz，有 512字节或1280字节的RAM。STC89CRD +系列单片机具备如下特点。

（1）工作电压广:5 V单片机类为5. 5~3. 3V、

V单片机类为3.8 ~ 2.0 V；

（2）两种编程模式可供选择:在系统可编程 (ISP)，在应用可编程(IAP)。无需编程器和 仿真器，可通过串口 (RXD/P3. 0，TXD/P3. 1) 直接下载用户程序，而且数据之间互相传输速度 很快，工作稳定；

（3）用户应用程序空间选择多:4 K、8K、13K、 16 K、32K、64K字节，适应性强；

（4）通用I/O 口数量多达35至39个，复位后 P1、P2、P3、P4是准双向口；P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，无需加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上上拉电阻；

(5)STC89C系列新增加的ISP_CONTR特殊 功能寄存器，使得具有了软复位功能，而且内部集 成了 MAX810复位电路，当外部晶体20 MHz 以下时，可以省掉外部复位电路；

(6)内置看门狗电路；

(7)拥有4路外部中断，下降沿中断或低电平 触发中断，对于PowerDown模式可由外部中断低 电平触发，中断方式唤醒

3.2单片机与各个电路模块工作情况

本文将硬件电路分成六个部分，分别是：时 间测量芯片TDC-GP2及其外路总线、单片机 STC89C58RD +、流量测量控制电路、电源稳压 部分、LCM显示模块、蜂鸣器报警部分和串口 通信部分。图4为超声波水流量计硬件电路 框图。

首先时间测量芯片TDC-GP2开始作用，主要 是测量超声波在顺、逆流时的传播时间，而 且测量开始信号与结束信号分别由单片机和测 量控制电路的过零比较器输出端提供。单片机 STC89C58RD+用于发出测量命令，控制TDC-GP2芯片FIRE1或FIRE2端发出脉冲，并在 TDC-GP2时间测量结束时读取测量数据，并在中断服务程序中进行数据处理，计算出瞬时流量 值，还对流量值进行阈值报警以及LCM显示的 控制。流量测量控制电路用于控制超声波的顺 逆流发射状态以及接收超声波信号后对其进行 滤波放大处理。它由模拟开关、过零比较器、异 或门和滤波部分组成。通过单片机对模拟开关 的使能控制，可以确定超声波发射时的状态，即 顺流状态或逆流状态;异或门作为两输人单输出的逻辑器件，可以保证FIRE1和FIRE2端发射的 脉冲都可以输人到TDC-GP2芯片的START端， 作为测量开始信号;滤波部分可以滤除接收到的超声波信号的低频噪声;过零比较器由放大器组成，将接收到的超声波信号输出为TDC-GP2芯 片可以识别的矩形波脉冲信号，以此信号作为测 量结束信号输出给ST0P1端。电源稳压部分可 以准确稳压出3.3V电压，此电压可以供给单片 机、TDC-GP2使用。

LCM显示模块、蜂鸣器报警部分属于本设计 的辅助部分，它们均由STC89C58RD +控制，分别 实现流量值显示和报警功能。串口通信部分用于 单片机和上位机进行通信，本设计没有过多研究， 仅在硬件上加以表亦。

3.3主要工作内容

首先，单片机在进行测量时需要初始化TDC-GP2芯片里面的参数再进行配置;之后，单片机需 要控制TDC-GP2的FIRE1和FIRE2引脚在顺逆 流测量时分别给高电平信号，顺逆流状态的确定 是由模拟开关实现的，而模拟开关也是由单片机 的I/O 口控制，通过在顺流和逆流时状态的切换， 来测量使TDC-GP2顺逆流时间;不仅如此，单片机需要在TDC-GP2芯片接收到STOP信号并发出中 断请求时才能响应，其中响应过程先从TDC-GP2 芯片中读取出测量时间值，然后调用数据处理子 程序，把TDC-GP2测量出的和代入程序已经写好 的数学表达式中，由此求出瞬时流量值的数据，并 调用LCM显示子程序在显示模块中显示，显示同 时调用蜂鸣器报警子程序检测流量值是否需要报 警，如果超了规定数值，蜂鸣器发声，反之，工作正 常无任何声音。***后，单片机还需要做的工作是 与上位机进行通信，它可以将流量信息进行存储 以备上位机查询使用。

3.4软件设计及程序流程

本文在进行软件设计时，有考虑到如何规划 软件应该实现的各项功能。首先，软件设置有三 个平行的中断源:一个是用于响应外部测量命令的，即当外部需要本系统进行流量测量时便给单片机一个外中断信号，由单片机响应此中断并进行流量测量;另一个是用于响应TDC-GP2的，当 TDC-GP2时间测量结束时便给单片机发出一个中 断信号，单片机响应中断，便从TOC-GK中读取测 量数据进行处理;***后是用于自检功能，即由单片 机内部的定时器定时，并且时间可以自己设定，当 定时时间一到，便进行一次流量测量，并如此循 环，形成流量自检功能。

图5为参数测试流程图。通过在单片机 STC89C58RD +的INT1引脚，外部测量发出命令 相当于开关，而且每按下开关就是把一个中断命

令向引脚输出，单片机响应中断后会去调用测量 程序进行流量测量。之前需要初始化TDC-GP2参 数并设置，其中有设置测量控制电路中的模拟开 关，在时间测量结束后需要调用各个部分的子程 序完成数据处理、显示和报警。

4.结论

本文设计的超声波流量计不仅运用时差法 原理，而且属于非接触式仪表，通过高精度计时 芯片TDC-GP2测时模块，在测量管径为 25. 4 mm的流体时，显示系统显示测量数据，其 测量精度为±1%，符合系统设计要求，适用于 大多场合。再加上超声波传感器以及设计的外 围电路，具有降低功耗、保证测量精度，同时传 感器不用放在流体中，可以排除测量的附加阻 力的影响。