超声波明渠流量计的研究

摘要 超声波明渠流量计作为一种非接触式检测仪表，具有非接触、量程宽、线性好等其它流量计没有的优点，在明渠流量计的检测上得到了广泛的应用。 本论文在分析了超声波检测明渠流量计的基础上，同时结合当今电子发展的新技术，提出了基于16F877单片机的设计方案，并完成了超声波明渠流量计系统的硬件、软件设计。本论文主要完成了以下工作： 对超声波明渠流量计测量原理进行了分析。 对超声波明渠流量计主控板的硬件电路进行了设计，完成了电路原理图和电路板的制作。 对超声波明渠流量计探头驱动和接收电路进行了设计，完成了电路原理图和电路板的制作。 对超声波明渠流量计低功耗，抗干扰性进行了设计，并提出相应的改进方案。 完成了16F877单片机C语言控制板的软件设计。 本论文提出的基于16F877单片机超声波明渠流量计的设计方案是可行的。系统结构简单紧凑，功耗较低，总体性能较好，符合了当今智能仪器仪表小型化的潮流，为当今开发高性能和商品化的超声波明渠流量计奠定了良好的基础。 ??? 关键字：超声波；明渠；流量计；16F877单片机；LCD显示器 前言 长期以来，由于没有合适的仪表，对我国的工矿企业的污水排放一直没有得到很好的计量。随着我国乃至全世界对环境保护越来越重视和我国对环境综合治理与保护的步伐不断加快，迫切希望对工矿企业的污水排放加以综合管理和控制。 我国的工矿企业污水排放方式大部分是自然流下。也就是说污水在管路内的流动是非满管的。以这种非满管状态流动的水路，即具有自由表面的水路叫做明渠。即使在所谓暗渠的水路里，由于液体是自然流下，故也属于明渠流动。对于这样的水路测量流量时，不能使用常规有压的满管流量计。被测量的污水是含有各种杂质，以及其他有机化学成分，虽然在污水排放前，以作了净化处理，如果使用与污水介质直接接触的流量计，长期使用后，也难免在流量计内产生结垢或被腐蚀，从而影响测量。所以，作为城市污水排放，特别是工矿企业污水排放的计量仪表，必须具有以下特点： ●?????? 计量仪表必须是非接触式测量的仪表。污水大都含有各种各样的污垢和有腐蚀性的物质，只有非接触式测量才能避免物理和化学的影响，从而保证测量精度的连贯性。 ●?????? 计量仪表必须量程比宽，线性好，价格适中。 ●?????? 计量仪表功耗要低，符合当今仪表小型化的潮流。 超声波明渠流量计是具有上述特点的一种非接触式仪表。上海市环保部门也做了大量的调查研究工作，深入到上海市几百家工矿企业进行实地调查。经过论证表明，应用非接触式的超声波明渠流量计适宜于我国工矿企业污水排放的计量。 国外公司已经开发出成熟的产品，以美国的伊思柯（ISCO）公司为例，其普通的超声波明渠流量计的价格为71300元，功能齐全（如多通道测量，小型化的仪表）??? 的价格更高，我国目前大部分公司还处于开发研究超声波明渠流量计初期，于是大量的国外产品涌入中国市场，它们以优越的性能、多样的功能占领了我国的大部分市场。国产超声波明渠流量计不仅难以形成与进口产品相抗衡的势头，反而陷入了性能差、成本高、效益低、缺少二次投入开发资金从而差距进一步扩大的恶性循环之中。不少公司不得不放弃原来的产品开发，依靠代理国外产品来弥补经济效益上的缺口。仅有少数起步较早，技术和资本较雄厚的厂商尚能在严峻的竞争中获得一定的市场份额。目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、南京康创流量计有限公司、唐山大方汇中有限公司、大连索尼卡电子有限公司、大连长风电子有限公司、开封仪表厂等。国外的著名品牌有日本的富士，美国的宝丽声、伊恩柯，美国的梅克罗尼等。 因此，追踪国外的最新科研动态，立足超声波应用技术的前言，应用当今先进实用的电子技术，开发性能高、功耗低、小型化的超声波明渠流量计，以成为适应我国环保产业发展，振兴我国民族仪器仪表行业的有待解决的课题。 在超声波明渠流量计中，大都以8位单片机作为微处理器，能满足一般的要求，且价格低廉，经过十多年的推广和发展，其设计和使用方法以为广大技术人员掌握，得到了广泛的应用。但是随着电子技术的飞速发展，出现了16位，32位的高档微处理器，它们计算和能力更强，处理速度更快，功耗更低，代替当前的8位单片机已是必然的趋势。同时，随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的可编程ASIC器件的发展，不仅满足片上系统设计的要求，而且具有速度快、密度大、系统内可再编程的独特优点，应用以上技术到仪器仪表行业小型化、功耗低的要求，同时可以大大缩短产品的开发研制周期，快速响应市场需求，减少开发成本，提高可靠性，降低设计风险。由此可以看出应用可编程逻辑器件设计电子产品已经成为以后电子产品设计的发展方向。 针对以上情况，本文提出了基于16位单片机，应用可编程逻辑器件(CPLD)的设计方案，对系统的软件和硬件进行了详细的设计，并通过试验取得了较为满意的效果，为以后的改进工作奠定了一定的基础。本文主要介绍了一下已经完成的工作： ●??? 对超声波明渠流量计的测量原理进行了分析。 ●??? 提出了超声波明渠流量计的设计方案，并应用16F877超低功耗的单片机为主控制器，以微芯公司的9572XL为外围控制器件，完成了控制板电路原理图和印刷电路板的设计制作。 ●??? 设计了超声波明渠流量计的探头驱动和接收电路，并完成了电路的原理图及印刷电路板的制作。 ●??? 用16F877单片机C语言完成了控制板的软件设计。 ●??? 对超声波明渠流量计仪表怎样降低整体功耗，提高系统的可靠性进行了研究，并提出相应的改进措施。 本文提出的基于16F877低功耗单片机的设计是基本成功的，其结构的简单紧凑，功能较低，总体性能较好，符合了当今智能仪器仪表小型化的潮流，同时降低了功耗，为今后开发真正实用、高性能和商品化的超声波明渠流量计奠定了良好的基础。