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1、山东科技大学学士学位论文摘要目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在精度低等缺点。本文设计了一种基于超声波技术的适合家用的水流量计，具有精度高、操作简单、低成本等优点。本设计的主要工作有两个方面：一是硬件设计，二是软件设计。硬件设计系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间测量，以及控制发射脉冲，以超低功耗的MSP430F427单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理。结合超声流量计阀值比较模型和超声波信号过零点不受其电压幅度变化影响的优点，提出了过零阀值比较模型，阀值比较模型可以有效去除接收换能器接收到超声波信号之前的干扰信号，而超声波过零点不随其电压幅度变化而
2、变化，结合两者的优点可以有效抑制静态时间差变化很大的范围。同时设计了脉冲计数电路，消除了部分干扰。采用GP2通过芯片，与传统的高速计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的干扰等复杂问题，有效提高流量计测量精度和稳定性。在设计软件时，为提高时间测量精度，消除干扰，设置了有效时间区间，无效时间，减少了干扰的影响。为降低功耗，间断性关断放大器电源，节省了电池电量，延长了更换电池的周期。 关键词：时差式超声波流量计；低功耗；精度；MSPAbstractAt present, most household water flow meters in our count
3、ry is Mechanical rotor-type, but this type of water meters low accuracy existing shortcomings. This paper introduces a design of ultrasonic technology based on suitable for household water flow meter, with high precision, simple operation, low cost, etc.This design main job has two aspects: one is t
4、he hardware design, and the second is the design of software. Hardware design systems use the high precision time-interval measurement chip TDC for measuring time-GP2, and control the firing pulse, with low power consumption of MSP430F427 single chip microcomputer as the core of the system to contro
5、l and calculation processing. Combining ultrasound flow meter threshold is model and the ultrasonic signal zero from its voltage amplitude change the advantages of influence, and puts forward the zero threshold is model, threshold model can effectively remove is receiving receivers ultrasonic signal
6、 to the disturbance signal before, and with the ultrasonic zero voltage amplitude variation and change, combined with the advantages of both static time difference can effectively restrain the scope of the big changes. At the same time the pulse counts circuit design, eliminate some of the interfere
7、nce. GP2 use internal propagation delays of signals through gates to measure propagation time of system. The GP2 through the chip, and traditional high-speed counter, it is characterized by high precision, and can be in 1 MHz frequency complete circuit, to avoid the interference of high frequency ci
8、rcuit complex problems, effectively improve the flow meter measurement accuracy and stability. In the design software, to improve the time the measurement precision, eliminate interference, set up effective time interval, invalid time and reducing the effects of the interference. To reduce power con
9、sumption, intermittent shut off the power amplifier, save the battery power, extended the replacement battery cycle.Keywords: ultrasonic flow-meter with time difference method; low power; measurement precision; MSP430目录1 引言11.1 本课题研究的目的和意义11.2 国内外研究情况及其发展21.3 本设计的主要研究内容72 超声波流量计的原理与分类92.1 流量仪表的基本概念9
10、2.2 超声流量计分类及应用特点102.3 时差法超声流量计工作原理132.4 流体状态对时差法超声流量计精度的影响152.5 本章小结173 超声换能器的研究与设计183.1 超声换能器的总体介绍183.2 超声换能器参数指标193.3 压电陶瓷晶体的谐振特性193.4 超声换能器的电匹配及其实现203.5 本章小结214 时差法超声流量计系统功能的实现224.1 系统的构成224.2 微处理的选择234.3 计时模块244.4 切换开关及驱动电路274.5 信号处理部分294.6 LCD显示模块374.7 接口模块374.8 电池电量检测模块394.9 稳压电路模块404.10 时钟模块4
11、14.11 按键电路414.12 软件功能分析424.13 本章小结455. 水表功能介绍465.1 硬件方面465.2 软件方面475.3 误差的基本理论475.4 抗干扰措施496 总结及展望526.1 总结526.2 展望52参考文献54附录 基于超声波传感器的水流量计电路图56致谢57山东科技大学学士学位论文1 引言1.1 本课题研究的目的和意义我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4，位列世界第121位，是联合国认定的“水资源紧缺”国家。在全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市有110个，全国城市缺水年总量达
12、60亿立方米。不仅如此，水资源在全国范围的分布严重不均。占全国面积三分之一的长江以南地区拥有全国五分之四的水量，而面积广大的北方地区只拥有不足五分之一的水量，其中西北内陆的水资源量仅占全国的4.6。我国多年平均降水量约6万亿立方米，其中54即3.2万亿立方米左右通过土壤蒸发和植物散布又回到大气中，余下的约有2.8万亿立方米绝大部分形成了地面径流和极少数渗入地下。这就是我国拥有的淡水资源总量，这一总量低于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位。但因人口基数大，人均拥有水资源量是很少的，仅为 2200 立方米，占世界人均占有量的四分之一。专家预测，我国人口在2030年将进入高峰时期，
13、届时人均水资源量大约只有1750立方米，中国将成为严重缺水的国家。从20世纪70年代以来就开始闹水荒，这不是危言耸听，而是客观存在的事实。80年代以来，中国的水荒由局部逐渐蔓延至全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经带来了严重影响。目前，世界 80多个国家和地区约16亿人口面临淡水资源供应不足；25多个国家近 3 亿的人口生活在严重缺水状态。预计到 2030 年，全球近 40多个国家和地区，约 35 亿人口生活在严重缺水状态。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。面对这种严峻的现状，各国政府都采用相应的制度措施，来应对这一问题，例如采用民用水电的阶梯收费，那
14、么就需要高精度的仪表对流量进行准确的测量，在这种背景下，超声流量计以自身测量方式简单、计量精度高、无接触测量等优点应运而生。超声流量计可以实现与流体的非接触式的计量，无阻流件，无压力损失，精度高，功耗低，可实现多种流体的(气体、液体以及含少量杂质的流体等)测量，而且具有受干扰较小的优点，但是目前超声流量计的市场价格还比较高，超声流量计的推广受到很大限制。超声波流量计不仅适用于对生活用水、工业废水及废气等准确计量，而且也适用于粘度较大、杂质含量较高液体的准确计量。在国外，超声流量计被广泛应用到居民日常生活中，由于价格问题，我国仅在应用在工业领域，而且高精度的超声流量计主要还是靠进口。研究一种低成
15、本、测量精度高、低功耗的超声流量计有着很好的经济效益和社会效益。本文对流体状态和超声换能器进行了分析研究，从而为提升超声流量计奠定了理论基础，另外本文从硬件和软件算法的改进来进一步提升计量精度、降低系统功耗，最后采取抗干扰措施来提高系统的稳定性，并提供了低成本、高精度的设计方案。1.2 国内外研究情况及其发展1.2.1 家用水表发展历程及分类水表是指记录流经封闭满管道的可饮用水的计量仪表，水表的指示装置一般只显示通过水表的水体积总量，它可以安装电子传感器来实现水量信号的传输。在家庭设置水表目的在于计算水量，节制用水，同时还有在生产上核算成本的作用。在地域水资源不丰富，能源也不充足的情况下，节约用水尤为重要。（ 1 ) 发展历程从 1825 年英国的克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水表的发展已有近两百年的历史。水表的结构先后出现了往复式单活塞式水表、旋转活塞式水表、圆盘式水表、旋翼式水表和螺翼式水表（又称沃特曼水表）等形式。随着现代化制造工艺、材料及电子技术的发展促进了水表技术的飞速发展。目前水表的工作原理和基本结构仍在水表制造企业中广泛使用，但是在水表的外形设计、制造工艺和材料选择等方面做了不断的改进，即提高了水表的计量精度和可靠性，又降低了制造的成本。我国水表的使用和生产起步较晚。1879 年，李鸿章操办海军，在旅顺口创建了我国第一家
