电力系统论文

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1、 摘 要科学技术的快速发展，加大了超声波将在传感器中的应用。就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。超声波具有穿透能力大，方向性好和定向传播特点等，因此，超声波传感器广泛应用于深海探测、机械探伤和振动、位移速度、加速度、厚度、流量、物位以及化学成分等的精确测量。超声波清洗机广泛应用于微电子工业、医院、宾馆、饭店、乃至家庭中。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与

2、其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。而这篇论文主要讲超声波在测量的设计和原理应用。以MCS-51单片机为核心设计一台测量液体瞬时流量与流体总量的超声波测量仪关键词：传感器, 超声波 ,技术AbstractWith the science and technology fast development, the ultrasonic wave will be broad in the sensor application more and more .But

3、 so far as now technical level , the people can the concrete use sensor technology extremely be limited, therefore, this is a vigorous development and having the infinite prospect the technology and the industrial domain. Forecasting the future, the ultrasonic sensor as one kind of new count for muc

4、h useful tool will have very big development space in various aspects, it will develop to high accurate localization, to the more and more develop daily social demand. Ultrasound has the penetrating power and large, good direction and directional spread characteristics. Therefore, the ultrasonic sen

5、sors are widely used in deep-sea exploration, mechanical testing and vibration, displacement velocity, acceleration, thickness, traffic level, as well as the accurate measurement of chemical composition. Ultrasonic Cleaning Machine is widely used in micro-electronic industries, hospitals, hotels, re

6、staurants, and even family.There is not doubt that. The future ultrasonic sensor will connect rails with the automated intellectualization, with other sensor integrations and the fusion will form the multi- sensors. Along with the sensor technology advancement, the sensor from will have pure judge f

7、unction to develop has the study function, the ultimate development will have the creativity. In the new century, with a new look sensor will play the more import role.However this paper talked the ultrasonic measuring principle of the design and application. With MCS-51 microcontroller as its core

8、design a measurement of the instantaneous flow rate and fluid volume of liquid ultrasonic meter.Key words：sensor , ultrasonic, technology目录1绪论- 1 -1.1超声波- 1 -1.2超声波的缺陷- 2 -1.3超声波种类和特点- 2 -1.4超声波的组成及其特点- 3 -1.5超声波发生器原理- 4 -1.6超声波接收器原理- 5 -1.7超声波流量计的概念和历史- 6 -2超声波传感器的参数计算- 9 -2.1超声波传传感器的应用- 9 -2.2 参数处

9、理和验证- 11 -3 超声波传感器的系统硬件组成- 12 -3.1流量计主机硬件设计- 12 -3.2单片机的选用及简介- 12 -3.3超声波流量检测电路- 14 -3.4流量控制电路- 15 -3.5键盘- 17 -3.6显示电路- 18 -4 系统软件设计- 21 -4.1主程序流程图- 21 -4.2超声波测距的相关程序- 22 -4.2.1超声波的接收与发送- 22 -4.2.2超声波传播时间- 22 -5 系统调试与结论- 24 -5.1影响流量计测量精度的因素和解决方法- 24 -5.2结语- 25 -参 考 文 献- 26 -谢 辞- 27 -2 1绪论1.1超声波由物理学可

10、知，介质中的一切质点均以弹性力互相联系着，某一质点在介质中振动，能激起它周围的质点振动，振动在弹性介质内的传递过程，称为机械波。声波是一种机械波，它能在气体、液体和固体中传播。人耳能听闻的声波频率在20HZ20KHZ之间。频率超过20KHZ,人耳就不能听闻，这种声波称为超声波。 超声波是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型。众所周知，目前的工业

11、流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波均可避免。因为各类超声波均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波比相同功能其它类型的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，

12、从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。1.2超声波的缺陷超声波目前所存在的缺

13、点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200以下的流体。另外，超声波的测量线路比一般复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500ms左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是103数量级若要求测量流速的准确度为1，则对声速的测量准确度需为10-510-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。1.3超声波种类和特点 根据机械波的振源施力方向与波在介质中传播

14、的方向不同，超声波可为下列几种：1） 纵波 是指质点的振动方向与传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。2） 横波 是指质点的振动方向垂直与传播方向的波。它只能在固体中传播。3） 表面波 是指质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，它是振动幅度随深度的增大而迅速衰减的波。表面波只在固体的表面传播。4） 蓝姆波 蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。板两表面的质点振动是纵波与横波成分之和。它分为对称型和非对称型两种。 超声波在传播中通过两种不同介质时，会产生折射和反射现象，其频率愈高，反射和折射的特性愈与光波的特性相似。 超声波在同一介质内传播时，随着传播距离的增加，其强度会减弱。这是由

15、于介质吸收能量，引起能量损耗的缘故。介质吸收能量的程度与波的频率和介质密度有关。例如，气体的密度很小，超声波在气体中传播时很快衰减。因此，超声波主要用于固体和液体中有关参数的检测。1.4超声波的组成及其特点超声波由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。超声波常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入

16、流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声波换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。 超声波的电子线路包括发射、接收、信号处理和显

17、示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。 根据对信号检测的原理，目前超声波大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法

18、)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普 勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简

19、单，设备价格便宜，但准确度低。 以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅

20、速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波应用开辟广阔前景。1.5超声波发生器原理压电晶体除了具有压电效应外，还具有逆压电效应。在压电晶片的两个电极面上施加交流电压，压电晶片就产生机械振动，即压电晶片在两个电极方向有伸缩现象，这种现象称为逆压电效应，也称为“电致伸缩效应”。利用压电晶体的电致伸缩效应，在电极上施加频率高于20KHZ的交流电压，压电晶体就会产生超声机械振动，从而发出超声波，见图1-101a。压电材料的固有频率与压电材料的弹性模量E,密度p和厚度d有关，式中，n为谐波的次数。 若

21、外加的交变电压的频率f等于晶片的固有频率，则晶片产生共振，从而获得最强振幅的超声波。超声波的强度可达数十W/，频率可从数十KHZ到数十MHZ。随着现代电子技术，特别是微处理器(uP)及信号处理器(DSP)的发展，超声波发生器的功能越来越强大，但不管如何变化，其核心功能应该是如下所述的内容，只是每部分在实现时技术不同而已。超声波发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是超声波换能器的频率，一般在超声波设备中使用到的超声波频率为25KHz、28KHz、35KHz、40KHz；1OOKHz或以上现在尚未大量使用但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会

22、逐步扩大比较完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要提供二个方面的反馈信号：第一个是提供输出功率信号，我们知道当超声波发生器的供电电源（电压）发生变化时超声波发生器的输出功率也会发生变化，这时反映在超声波换能器上就是机械振动忽大忽小，导致清洗效果不稳定因此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。第二个是提供频率跟踪信号当超声波换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而超声波换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号超声波发生器，使信号超声波发生器的频率在一定范围内跟踪超声波换能器的谐

23、振频率点让超声波发生器工作在最佳状态。1.6超声波接收器原理超声波接收器的工作原理是利用压电晶体的压电效应原理工作的，见图1-101b在压电晶体的电轴或机械轴的两端面施加一定的频率的超声波，则在其电轴的两个端面出现频率与外加超声波频率相同的交变电荷。交变电荷的副値与所施加超声波的强度成正比。通过测量电路将交变电荷转换成电压或电流输出。a）超声波发生器原理 b）超声波接收器原理图1-1 超声波发生器和接受器原理图1.7超声波流量计的概念和历史凡是有物质流动的场合，人们为掌握其数量都需要流量测量。流量分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow）瞬时流量（Flow Rate）

24、：单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量。流过的物质可以是气、液、固体。数学公式： ,v为流体的体积,工程上常用的单位m3/h.累计流量（Total Flow）：在某一段时间间隔内（可以是一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。流量计广泛应用于能源计量如水，气等含能工质。流量计的种类繁多，可大体分为几大类，约几百种以上。（1） 差压式流量计：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。（2） 转子流量计（3） 容积式流量计：1.椭圆齿轮 2.腰轮 3.刮板 4.旋转活塞（4） 涡轮流量计（5） 电磁流量计 ：大管径，造价高。安

25、装时需要停水断管（6） 涡街流量计（7） 超声波流量计（8） 质量流量计 （9） 其它流量计上述流量计优、缺点，用途各异。用户选表总想找到一种理想的流量计以解它的流量计量问题，而流量计制造厂都力图制造出一种理想流量计以适应更广泛的需要。总结千百种流量计的所有优点可以提出理想流量计的条件如下： 1检测件无阻碍物；2检测件可夹装在管道外部，可随意移动在任何地点测量而无须截断管道与流体；3仪表的流量计算方程简单明确，可外推到未知领域而无须实流校验；4频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传抗干扰及与计算机联网；5仪表输出信号不受流体流动特性的影响；6仪表复现性高；7仪表范围度宽，线性好；8仪表可靠性高

26、，价格适宜，维修技术不复杂；9. 无须个别实流校验，或只须“干校”，或在一、二种介质中校验可推广到各种介质；10.检测件输出信号直接反映质量流量。 可以说至今并没有出现上述的理想流量计，所有流量计都多少具备一些上述条件，只不过有的多些，有的少些。所有流量计制造厂试制新产品都力图能更多地具备上述条件。 （1）1928年德国人研制成功第一台超声波流量计，并取得了专利。至今超声波流量计以有75年历史（2）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（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头，由于他们的研究可

27、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。进入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，显示了强劲的技术优势，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-O2000）上共宣读学术论文集103篇，其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇，约占论

28、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。2超声波传感器的参数计算2.1超声波传传感器的应用超声波具有穿透能力大，方向性好和定向传播等特点。因此，超声波传感器广泛应用于深海探测、位移、速度、加速度、厚度、流量、物位以及化学成分的呢个 的精确测量。超声波清洗机广泛应用于微电子工业、医学、宾馆、饭店乃至家中。超声波流量计的原理：超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声波流量计的类型根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法

29、及相关法等不同类型的超声波。由图2-1可见，流体静止时，超声波发生器和的声波速度和水平分量为,其中c为超声波在介质中传播的速度。若流体的流速为v，发生的声波的水平速度为(v+),那么在长度为L的管道内传播时间为，同理，为了消除C对测量精度的影响，在，时间分别对频率为的脉冲进行计数，设分别计得脉冲数为,则=，=，而频率和时间互为倒数，则：=,=式中，为超声波波束和管道横截面的夹角。由上所的：(公式1)又公式1所得v=,设管道横截面积为S，可求的流体的体积流量为=K式中，K为仪表常数，K=SL由图2-1可以看出，的超声波速度比的超声波速度快。的波束首先被接收器接收，输出的信号经整形后，触发RS触发

30、器1翻转为=0, CPU根据D “0”电平命令相应的计数器停止计数，该段时间内计数器为。同理，的超声波束达到时，CPU命令另一计数停止计数，设计计数值为,可见大于。图2-2为电路原理图。图中，.分别为,的接收器。由图可见，CPU输出正脉冲，命令超声波发生器,同时产生超声波；以此同时，令单稳1,2同时触发RS触发器1和2翻转为=1（高电平）；CPU根据,电平令CPU内部的两个计数器同时对频率为的时钟脉冲计数。 图2-22.2 参数处理和验证1、体积流量,仪表常数，最高流量为，主振2、已知超声波在液体中传播速度c=1500m/s3、仪表精度假设当管道的L=20cm时候，时候，由公式得解的D=0.0

31、1m，所以D=0.1m，又由于公式，=解的=508，同理解的=536验证设计准确性：=K=1000所以理论设计正确。3 超声波传感器的系统硬件组成 3.1流量计主机硬件设计控制原理为：流量控制系统的控制目的是容器内流量保持恒定，假如管道中的压力是恒定的，管道阀门的开度对应一定的液体流量，这时为了保持流量恒定，只须测量实际液位，并与流量设定值进行比较，利用二者的偏差以PID控制规律控制管道阀门的开度。系统只有检测流量偏离设定值时才能进行控制，在本课题中，在流量控制主回路中增加液体流量控制回路，构成单闭环控制结构。根据分析控制流程为如图3-1：图3-1 控制流程图3.2单片机的选用及简介单片机也被

32、称为“单片微型计算机”，单片机一词最初源于“single chip microcomputer”,简称“SCM”，随着SCM在技术和体系结构上的进步，其控制功能不断扩展，它的主要作用已经不是计算而是控制了。 现在最具有代表性、最典型的机型当属AT89S51系列单片机了，本课题液位控制系统采用AT89S51单片机。一块芯片上包括：8位中央处理器单元CPU；4/8KB ROM或EPROM；128/256字节的数据存储器RAM；21/26个特殊功能寄存器SFP；4个8位并行I/O口；2/3个16位可编程的定时/计数器，T0、T1用来对外部脉冲进行计数，也可设置成定时器；有5/6个中断源，其中3个是内

33、部中断源，2个外部中断源，通过软件可编程为两个中断优先级；1个全双工的通过编程工作在异步方式的串行接口，使数据可在微机之间一位一位地串行传送；内部时钟产生电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，允许最高振荡频率为12MHz；64KB外部程序存储器寻址空间；64KB外部数据存储器寻址空间；具有位寻址功能，位寻址空间为00HFFH,具有较强的位处理能力。AT89S51的引脚图如图3-2：EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.3P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0

34、.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89S51图3-2 AT89S51的引脚图3.3超声波流量检测电路超声波换能器选用压电式换能器。超声波收发器采用超声波专用芯片 TL851 和 TL852 。TL851 数字集成电路，是专用的声纳测距控制器。TL852 模拟集成电路，是专用的声纳测距接收器。这两个芯片已广泛应用于超声波测距系统中，是静电和压电换能器接口。超声波信号由 TL851 和 TL852及外围元件产生，然后通过三极管和变压

35、器输送至超声波换能器，该超声波换能器集收发于一体，返回信号也是通过TL851 和 TL852等 处 理 后 传 送 给AT89S51。由 TL851 和 TL852 组成的超声波收发器有两种工作方式：单回波(single-echo)工作方式和多回波(multi-echo)工作方式。所谓单回波工作模式是指发出 INIT 信号后等待回波信号，然后将回波信号放大并在ECHO引脚生成一个逻辑高电平输出，这样从 INIT 置高电平到ECHO输出高电平的时间就是超声波发出到遇到对象物返回的时间。多回波工作模式的多个回波必须在一次发射中得到，那么就必须在ECHO输出高电平以后，在 BINK 上输入高电平且延

36、时不小于 0.44 ms 的脉冲，在脉冲的下降沿ECHO又回到低电平，可以重新接收回波。TL851 的测量距离为6英寸到35英尺。它有一个可使用低成本外部陶瓷晶振起振的内部振荡器，使用简单的外部接口和420KHz的陶瓷晶振，可以驱动一个50KHz静电转换器。TL851 的INIT引脚必须在 Vcc 上电5ms之后才可以置高电平，在这5ms的时间里，系统内部被重新设定，并且产生稳定的振荡。INIT置高电平之后，TL851 就发送频率为49.4KHz，振幅为400V的16 个脉冲的脉冲串，驱动转换器 XDCH 工作。这16 个脉冲在转换器中被转化为超声波并发射出去，在16个脉冲结束后，仍有一个 2

37、00 V 的直流电以保证转换器继续工作。当使用外部420KHz陶瓷晶振时，TL851 的消隐（ BLNK ）信号禁止接收 2.38 ms 内的回波，该回波可能是由转换器阻尼振荡所产生的噪声造成的，因此消隐特性禁止接收与传感器相距 1.33 英尺的目标物的回波。如果想要检测 1.33 英尺内的目标物，可以使禁止消隐 (BINH) 变为高电平以缩短消隐，使传感器可以接收输入信号。消隐 (BLNK) 也可在单回波工作方式或多回波工作方式中用于关闭接收输入和重置ECHO为逻辑低电平。AT89S51 单片机的 P1 口控制两个超声波收发器，其中,P1.0-P1.3 分别接超声波收发器 1 的 INIT

38、、ECHO、 BLNK、BINH 引脚； P1.4-P1.7 的分别接超声波收发器 2 的 INIT 、ECHO、BLNK、BINH 引脚。通过清零 P1.0、P1.4（经反相器加到INIT 引脚）启动超声波换能器发射超声波，同时 T1开始计数，并不断查询 P1.1 和P1.5的状态，当 P1.1 或P1.5变为高电平时，即收到回波， 读取T1的计数值。通过 T1的计数值可以计算出从发射超声波到收到回波的时间，从而计算出发射处到对象物的距离。图3-3为超声波流量检测的具体电路图：图3-3 超声波流量检测电路图3.4流量控制电路流量控制系统的执行机构大多采用调节阀，本系统采用电动调节阀。电动调节

39、阀所接收的信号为标准信号，即420MA。DAC0832是8位分辨率D/A转换集成芯片，与处理器完全兼容，其价格低廉，接口电路及程序简单，转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。DAC0832的引脚图（管脚图）及功能：图3-4 DAC0832引脚功能介绍DI0DI7：数据输入线，TLL电平。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2:电流输出线。其值与Iout1之

40、和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线(+5v+15v)Vref:基准电压输入线(-10v+10v)AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较图3-5为DAC0832与单片机接口应用电路图：图3-5 DAC0832与单片机的接口电路图3.5键盘键盘输入单元采用独立式键盘,由上下左右四个键组成,其中上这个键为开始键,下为显示切换键,左右为数字增减键.增减键用以改变设定值的大小,以下是键盘与单片机的接口电路。图3-6 键盘3.6显示电路LED（Light Emitting Diode）是当外加电压超过额定电压时发

41、生击穿而发出可见光，LED的工作电压通常为220mA。工作压降为2V左右，使用时需加限流电阻。显示电路采用LED数码管显示，数码管具有：低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易维护的优点，虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计。在显示部分采用LED动态显示技术，节省单片机空间，而且动态显示电流很小，单片机可以提供。显示器结构如图3-7：10987612abcdefg4dp3abfcgdedp5GNDGND图3-7 LED数码管单片机与显示电路的连接如图3-8：图3-8 LE29ALE/P30TXD11RXD10AT89S51ICM7218BabfcgdeGND1234567ab

42、cdefg8dpdp9abfcgdeGND1234567abcdefg8dpdp9abfcgdeGND1234567abcdefg8dpdp93abfcgdeGND1234567abcdefg8dpdp9D51D62D73D84ID05ID16ID27ID38ID49ID510ID611ID712MODE13WRITE14D427D326D225D124a23b22c21d20e19f18g17dp16EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P1。01P1。12P1。23P1。34P1。45P1。56P1。67P1。78P0。039P0

43、。138P0。237P0。336P0。435P0。534P0。633P0。732P2。021P2。122P2。223P2。324P2。425P2。526P2。627P2。728PSEND显示电路以上是液位控制系统各部分硬件的具体设计，其整个系统具体电路如图3-9所示：图3-9流量控制电路图4 系统软件设计软件也是非常重要的部分，直接关系到最终结果。在以下的介绍中，主要是针对各个模块程序的整体功能的介绍。4.1主程序流程图主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制及记录超声波的发射时间。中断服务程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的显示或输出等工作。软件分为两部分，即主程序和中断程

44、序。工作流程图如图4-1所示。 图4-1主程序流程图4.2超声波测距的相关程序4.2.1超声波的接收与发送前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过放大器的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.1和P1.5接到放大器的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： RECEIVEI：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX1 ；关外部中断1 JNB p1.1, RIGHT ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序JNB p1.5, LEFT ；P1.5引脚为0,转至左测距电路中断服务程序 RETURN： S

45、ETB EX1 ；开外部中断1 POP ACC POP PSWRETI RIGHT：. ；右测距电路中断服务程序入口 . AJMP RETURNLEFT：. ；左测距电路中断服务程序入口 . AJMP RETUN4.2.2超声波传播时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T1，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0

46、 ；关外部中断0 MOV R7, TH0 ；读取时间值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH ；计算时间差 MOV 31H, A ；存储结果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；开外部中断0 POP ACCPOP PSW RETI5 系统调试与结论超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Tl851和TL852的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接

47、收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。5.1影响流量计测量精度的因素和解决方法 精度是测量仪表的重要指标，在时差法超声波流量计流量测量中。误差来源主要来自以下几方面：（1）加工精度及温度变化对机械尺寸的影响。声路角、管道直径D

48、、声程L等机械参数的加工精度、温度稳定性对流量的测量有直接的影响。在测量过程中，它们会随着温度的变化而变化。这种误差可以通过精密加工，合理选材以及合理的结构设计使影响减到最小。（2）温度变化对流速的影响超声波的传播速度随流体的温度的升高而升高，因而会给测量带来误差。流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿方法通过测量流体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自动补偿。（3）电气特性上的误差器件工作不稳定、计数电路精度低会给流量测量带来误差。为了减小该误差，我们选用100MHz、高精度、高稳定性的石英晶体振荡器作为时钟基准信号，选用大规模高速可编程逻辑器件（CPLD）来实现复杂的逻辑控制和高精度计时

49、功能，以达到系统的稳定性和可靠性。（4）回波波形变化和幅值变化带来误差 该变化会使二值化电路的计时比较点发生变化，造成波形误差。这种误差用硬件方法很难克服，必须借助于软件方法引入智能分析算法加以解决。5.2结语超声波波用于流体的测量还有其他几种基于不同原理的测量方法：多卜勒频移法、相位差法和相关法等等，各有优缺点，可根据不同的使用条件和计量精度等因素加以选取。 随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以及产品成本的降低和可靠性的提高，我们相信，超声波流量仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。参 考 文 献1朱学峰.过程控制技术的发展,现状与展望M.北京：清华大学出版社,19932张玲.过程控

50、制综合实验物理实现与算法设计M.大连：大连理工出版社,19993袁浩.新型的数字式液位流量控制系统综合实验装置M.西安：西安电子工业出版社,20014方康玲.过程控制系统M.武汉：武汉理工大学出版社,20045张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社,20046刘金琨.先进PID控制M.北京：电子工业出版社,20037李光弟.单片机基础M.北京：北京航天航空大学出版社,19948蔡美琴.单片机系统及应用M.北京：高等教育出版社,20019姚凯军.单片机原理及应用M.重庆：重庆大学出版社,199810何立民.单片机应用系统M.北京：北京航天航空大学出版社,199011徐惠民.单片微型计算

51、机原理,接口及应用M.北京：北京邮电大学出版社,200012张伟.单片机原理及应用M.北京：机械工业出版社,200213张鑫.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社,200514康华光.电子技术基础（数字部分）M.北京：高等教育出版社,200415林德杰.电气测试技术M.北京：机械工业出版社，2008谢 辞回顾这四年来的学习，不由万分感慨。在这四年来我明白了很多做人的道理和如何自己努力学习，特别是有些东西学了要用心才能获得成就。感谢我的导师在我做论文过程中耐心细致的指导，对我的论文提出很有见地的意见，使我能顺利按时提交；感谢我的同学和朋友在我的论文整体思路及作图所给予我的帮助。感谢我的父母，感谢所有教过我学业的老师和所有帮助过的的同学，使我在这几年的学习中获得很多新的知识！特别是如果利用有限的资料去学习相关的专业。在写论文是时候常常碰到无从下手的感觉，或者资料不全的时候，根本就不知道下一步应该如何做是好，好在有朋友相助，他告诉我去哪里找些相关的网址和书本，告诉我如果去写论文，回学校问老师，关于论文的格式和方法。这此特别感谢他们的关心和帮助，他们不怕麻烦，一次次孜孜不倦的教导着我。从这里我看到了无私奉献的精神，真心感谢他们！- 27 -