鬼佬大哥大
  • / 9
  • 下載費用:30 金幣  

高精度低功耗超聲流量計.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410077363.5

申請日:

2014.03.05

公開號:

CN104897219A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):G01F 1/66申請公布日:20150909|||實質審查的生效IPC(主分類):G01F 1/66申請日:20140305|||公開
IPC分類號: G01F1/66 主分類號: G01F1/66
申請人: 陜西多奇電子科技有限公司
發明人: 王春麟; 李存榮; 王斌
地址: 710061陜西省西安市雁塔區小寨東路126號百隆廣場A座四層AB戶
優先權:
專利代理機構: 代理人:
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201410077363.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.10|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種高精度低功耗超聲流量計,其特征是:單片機SPI接口及中斷輸入端與時間測量芯片SPI接口及中斷輸出端相連;時間測量芯片發射脈沖接口與雙驅動電路輸入端相連;雙驅動電路輸出端與上下游發射電路輸入端相連;上下游發射電路輸出端分別與上下游超聲探頭及上下游接收電路輸入端相連;上下游接收電路輸出端與信號調理電路相應輸入端相連;信號調理電路增益受控端與單片機D/A相連;信號調理電路回波輸出端與時間測量芯片相應輸入端相連;信號調理電路峰值檢波器輸出端與單片機A/D相連;信號調理電路相應受控端與單片機相應I/O端口相連。本發明的特點是上下游超聲回波峰值相同,時間測量采樣基準點相同,提高了測量精度。

權利要求書

權利要求書
1.  高精度低功耗超聲流量計,主要由單片機、時間測量芯片、雙驅動電路、上游發射電路、下游發射電路、上游超聲探頭、下游超聲探頭、上游接收電路、下游接收電路、信號調理電路、時鐘芯片、鍵盤、液晶屏、RS485通信模塊組成。單片機內部至少含有1個12位A/D轉換器、1個12位D/A轉換器、1個SPI串行口、1個I2C串行口和1個UART串行口。單片機I2C接口與時鐘芯片相應接口相連;單片機相應接口與鍵盤相連;單片機相應接口與液晶屏相應接口相連;單片機UART接口與RS485通信模塊相應接口相連;單片機SPI接口及中斷輸入端口與時間測量芯片SPI接口及中斷輸出端口相連;時間測量芯片發射脈沖接口與雙驅動電路輸入接口相連;雙驅動電路輸出接口分別與上游發射電路輸入端和下游發射電路輸入端相連;上游發射電路輸出端與上游超聲探頭輸入端及上游接收電路輸入端相連;下游發射電路輸出端與下游超聲探頭輸入端及下游接收電路輸入端相連;上游接收電路輸出端和下游接收電路輸出端分別與信號調理電路相應輸入端相連;信號調理電路相應輸入輸出端口分別與時間測量芯片及單片機相應端口相連。

2.  根據權利要求1所述高精度低功耗超聲流量計,其特征是:信號調理電路由模擬開關、放大濾波1、程控放大器、放大濾波2、信號緩沖器和峰值檢波器組成。模擬開關具有3組獨立的1×2雙向開關。模擬開關輸入端A1、B1與上游接收電路輸出端相連,輸入端A2、B2與下游接收電路輸出端相連。模擬開關輸出端A3、B3與放大濾波1的差動輸入端相連。模擬開關輸入端C1與信號緩沖器輸出端相連,輸出端C2、C3分別與時間測量芯片的上游和下游超聲回波接收器輸入端相連。模擬開關受控端D與單片機相應I/O端口相連。放大濾波1輸出端與程控放大器輸入端相連;程控放大器輸出端與放大濾波2輸入端相連;放大濾波2輸出端與信號緩沖器及峰值檢波器輸入端相連;峰值檢波器輸出端與單片機內A/D輸入端相連;程控放大器受控端與單片機內D/A輸出端相連。

3.  根據權利要求1所述高精度低功耗超聲流量計,其特征是:峰值檢波器由檢波二極管、保持電容、電子開關和同相跟隨器組成。檢波二極管的正極與放大濾波2的輸出端相連;檢波二極管的負極與保持電容的一個端點、電子開關的一個端點及同相跟隨器的輸入端相連;保持電容與電子開關并聯;電子開關的受控端與單片機相應I/O端口相連;同相跟隨器輸出端與單片機內部A/D的輸入端相連。

4.  根據權利要求1所述高精度低功耗超聲流量計,其特征是:系統軟硬件工作過程如下:
⑴單片機復位,對系統進行初始化;用戶通過鍵盤和液晶屏輸入必要的配置參數,然后按確定鍵,系統進入測量狀態。
⑵單片機通過SPI總線向時間測量芯片發送開始測量指令,同時控制模擬開關接通下游超聲探頭通道,以便接收上游超聲探頭發射的超聲波。
⑶時間測量芯片收到測量指令后啟動內部的上游脈沖發生器,經上游發射電路驅動上游超聲探頭發射超聲波,同時其內部的計時器開始計時。
⑷下游超聲探頭收到的回波信號經過模擬開關、放大濾波1、程控放大器、放大濾波2后分為兩路。一路通過信號緩沖器和模擬開關送入時間測量芯片的下游超聲回波接收器。
⑸時間測量芯片在收到上游回波信號后即關閉內部計時器,并將上游超聲波傳播時間存入寄存器,同時通過中斷口向單片機發送中斷信號。
⑹單片機收到中斷信號后,即通過SPI接口從時間測量芯片讀取上游通道的超聲波傳播時間,然后控制模擬開關接通上游超聲探頭通道,以便接收下游超聲探頭發射的超聲波。
⑺時間測量芯片在發送中斷信號后延遲一段時間,然后啟動內部的下游脈沖發生器,經下游發射電路驅動下游超聲探頭發射超聲波,同時其內部的計時器開始計時。
⑻上游超聲探頭收到的回波信號經過模擬開關、放大濾波1、程控放大器、放大濾波2后分為兩路。一路通過信號緩沖器和模擬開關送入時間測量芯片的上游超聲回波接收器。
⑼時間測量芯片在收到下游回波信號后即關閉內部計時器,并將下游超聲波傳播時間存入寄存器,同時通過中斷口向單片機發送中斷信號。
⑽單片機收到中斷信號后,即通過SPI接口從時間測量芯片讀取下游通道的超聲波傳播時間。單片機根據讀取的上下游超聲波傳播時間計算、顯示、保存流速流量數據.。然后重復步驟1-10.
⑾上位機通過RS485通信接口發送讀命令,本發明在收到讀命令后產生中斷信號,然后向上位機發送測量數據。
⑿本發明通過峰值檢波器和A/D轉換器,由軟件控制程控放大器的增益,在每次測量時都通過A/D采樣超聲回波的峰值,并通過D/A調整程控放大器的增益,確保每次上下游測量的超聲回波信號峰值相同,使得時間測量芯片對上下游時間測量的采樣基準點相同,提高測量精度。

說明書

說明書高精度低功耗超聲流量計
技術領域
本發明涉及一種高精度低功耗超聲流量計,適用于要求精確監測管道液體流量的場合。
背景技術
采用時差法的超聲流量計,其基本原理是:2個超聲波探頭安裝在管道軸線兩側的外管壁上,并相隔一定的距離。首先上游探頭發射超聲波,下游探頭接收超聲波,并記錄超聲波從上游傳播到下游的時間t1;然后下游探頭發射超聲波,上游探頭接收超聲波,并再次記錄超聲波從下游傳播到上游的時間t2。因為上游發射的超聲波是順流傳播,而下游發射的超聲波是逆流傳播,所以t2>t1,存在時差t=t2-t1。時差t的大小與管道中液體的流速成正比,在管徑一定的情況下,測出時差t就可以計算出管道中的液體流速和流量。
時差法超聲流量計的精度主要取決于超聲波傳播時間的測量精度。由于超聲波在水中的傳播速度約為1500米左右,而管道中液體的最大流速一般在10米左右,所以時差t非常小,管道越細,液體流速越慢,時差越小。例如:設聲速為1500m/s,超聲探頭為45°角,當管徑為300mm,管中液體流速為10米時,根據公知公式可計算出時差t約為1.931微妙;在其它條件不變的情況下,當管中液體流速為0.01米時,可計算出時差約為18.856納秒,當管徑為100mm時,可計算出時差約為6.285納秒。如此小的時間差,對于目前普遍采用計數器或單片機計時的測量方法,工作頻率要達到1GHz以上,不僅成本高,而且在工程應用中很難做到,所以目前的超聲流量計的測量精度很難提高。
發明內容
為了克服現有時差法超聲波管道流量計時間測量精度不高的問題,本發明采用高分辨率時間測量芯片,再配以特別設計的控制電路,確保每次測量上下游的回波信號幅度保持一致,使得測量精度大為提高,功耗大為減小。本發明在設計中還采用了低功耗的單片機,使得整機功耗小于1瓦,特別適合于使用電池的場合。
本發明所采用的技術方案是:高精度低功耗超聲流量計,主要由單片機、時間測量芯片、雙驅動電路、上游發射電路、下游發射電路、上游超聲探頭、下游超聲探頭、上游接收電路、 下游接收電路、信號調理電路、時鐘芯片、鍵盤、液晶屏、RS485通信模塊組成。單片機內部至少含有1個12位A/D轉換器、1個12位D/A轉換器、1個SPI串行口、1個I2C串行口和1個UART串行口。單片機I2C接口與時鐘芯片相應接口相連;單片機相應接口與鍵盤相連;單片機相應接口與液晶屏相應接口相連;單片機UART接口與RS485通信模塊相應接口相連;單片機SPI接口及中斷輸入端與時間測量芯片SPI接口及中斷輸出端相連;時間測量芯片發射脈沖接口與雙驅動電路輸入端相連;雙驅動電路輸出端與上游和下游發射電路輸入端相連;上游發射電路輸出端與上游超聲探頭及上游接收電路輸入端相連;下游發射電路輸出端與下游超聲探頭及下游接收電路輸入端相連;上游和下游接收電路輸出端與信號調理電路的模擬開關相應輸入端相連;模擬開關受控端與單片機相應I/O端口相連;模擬開關相應輸出端與信號調理電路的放大濾波1的差動輸入端及時間測量芯片相應輸入端相連;信號調理電路峰值檢波器輸出端與單片機A/D輸入端相連。信號調理電路壓控放大器受控端與單片機的D/A輸出端相連。模擬開關相應輸出端分別與時間測量芯片的上游和下游超聲回波接收器輸入端相連。
本發明由于采用了專門的高精度時間測量芯片,測量分辨率可達22帕秒,解決了時間測量的分辨率問題。為了確保上下游時間測量的一致性,需要保證上下游回波信號幅度一致,使得時間測量芯片對上下游時間測量的采樣基準點相同。為此,在電路設計上采用了以下方法:
1、上下游傳感器共用一個信號調理電路,通過模擬開關進行切換;
2、采用可編程放大器,使回波信號幅值在較大范圍內可調,保證回波峰值始終相同;
3、為了進一步保證時間測量芯片對上下游時間測量的采樣基準點相同,在信號調理電路中加入了峰值檢波器,將每次回波信號進行峰值檢波,并輸入單片機A/D接口,單片機根據每次采樣值通過D/A不斷調整程控放大器的增益,確保上下游測量回波峰值始終相同。
4、峰值檢波器是通過保持電容來保持回波峰值,以便單片機的A/D進行采樣,當每次采樣結束后,為了不影響下一次測量,單片機通過控制一個電子開關對保持電容進行放電。
5、時間測量芯片的功耗非常低,最低可達平均2.2微安,再加上采用低功耗的單片機和放大器,保證了測量儀器功耗非常低。
本發明的有益效果是:由于采用了專門的高精度極低功耗的時間測量芯片,測量精度可達22帕秒,解決了時間測量的分辨率問題。同時在電路設計上,采用了程控放大器、峰值檢 波電路、A/D轉換器和D/A轉換器,再配以單片機軟件程序控制,保證了上下游回波信號峰值的一致性,使得上下游時間測量的采樣基準點相同,所以大大提高了本發明的時間測量精度,同時采用低功耗的單片機和放大器,使測量儀器的功耗非常低。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明的電路原理圖
圖2是本發明的信號調理電路原理圖
圖3是本發明的峰值檢波器電路原理圖
具體實施方式
圖中的箭頭表示信號的流向。高精度低功耗超聲流量計,主要由單片機、時間測量芯片、雙驅動電路、上游發射電路、下游發射電路、上游超聲探頭、下游超聲探頭、上游接收電路、下游接收電路、信號調理電路、時鐘芯片、鍵盤、液晶屏、RS485通信模塊組成。單片機內部至少含有1個12位A/D轉換器、1個12位D/A轉換器、1個SPI串行口、1個I2C串行口和1個UART串行口。單片機I2C接口與時鐘芯片相應接口相連;單片機相應接口與鍵盤相連;單片機相應接口與液晶屏相應接口相連;單片機UART接口與RS485通信模塊相應接口相連;單片機SPI接口及中斷輸入端與時間測量芯片SPI接口及中斷輸出端相連;時間測量芯片發射脈沖接口與雙驅動電路輸入端相連;雙驅動電路輸出端與上游和下游發射電路輸入端相連;上游發射電路輸出端與上游超聲探頭及上游接收電路輸入端相連;下游發射電路輸出端與下游超聲探頭及下游接收電路輸入端相連;上游和下游接收電路輸出端與信號調理電路的模擬開關相應輸入端相連;模擬開關受控端與單片機相應I/O端口相連;模擬開關相應輸出端與信號調理電路的放大濾波1的差動輸入端及時間測量芯片相應輸入端相連;信號調理電路峰值檢波器輸出端與單片機A/D輸入端相連。信號調理電路壓控放大器受控端與單片機的D/A輸出端相連;模擬開關相應輸出端分別與時間測量芯片的上游和下游超聲回波接收器輸入端相連。
在實施例中,單片機采用低功耗的C8051F121;時間測量芯片采用TDS-GP22,TDS-GP22內部具有上下游超聲脈沖發生器和上下游超聲回波接收器;模擬開關采用CD4053,CD4053具 有3組獨立的1×2模擬開關。放大濾波1、放大濾波2、信號緩沖器及同相跟隨器均采用低噪聲、高輸入阻抗及高電壓跟隨率的LF353;程控放大器采用低噪聲高動態范圍的壓控放大器AD603;檢波二極管采用肖特基管IN4148;電容采用溫度穩定性好的COG型,電子開關采用NLAST4599。
模擬開關輸入端A1、B1與上游接收電路輸出端相連,輸入端A2、B2與下游接收電路輸出端相連。模擬開關輸出端A3、B3與放大濾波1的差動輸入端相連。模擬開關輸入端C1與信號緩沖器輸出端相連,輸出端C2、C3分別與TDS-GP22的上、下游超聲回波接收器輸入端相連。
本實施例的硬件及軟件工作原理和步驟如下:
1、用戶通過鍵盤和液晶屏輸入必要的配置參數,然后按確定鍵,系統進入測量狀態。
2、C8051F121通過SPI總線向TDS-GP22發送開始測量指令,同時控制CD4053的3組開關接通下游超聲探頭通道,以便接收上游超聲探頭發射的超聲波。
3、TDS-GP22收到測量指令后啟動內部的上游脈沖發生器,經上游發射電路驅動上游超聲探頭發射超聲波,同時其內部的計時器開始計時。
4、下游超聲探頭收到的回波信號經過模擬開關、放大濾波1、程控放大器、放大濾波2后分為兩路。一路通過信號緩沖器和CD4053送入TDS-GP22的下游超聲回波接收器。TDS-GP22在收到回波信號后即關閉內部計時器,并將上游超聲波傳播時間存入寄存器,同時通過中斷口向C8051F121發送中斷信號。
5、C8051F121收到中斷信號后,即通過SPI接口從TDS-GP22讀取上游通道的上游超聲波傳播時間,然后控制CD4053的3組開關接通上游超聲探頭通道,以便接收下游超聲探頭發射的超聲波。
6、TDS-GP22在發送中斷信號后延遲一段時間,然后啟動內部的下游脈沖發生器,經下游發射電路驅動下游超聲探頭發射超聲波,同時其內部的計時器開始計時。
7、下游超聲波傳播時間的測量讀取過程與上游超聲波傳播時間的測量讀取過程相同。
8、C8051F121根據讀取的上下游超聲波傳播時間計算、顯示、保存流速流量數據。
9、重復步驟1-8。
10、上位機通過RS485通信接口發送讀命令,當單片機的串行口收到讀命令后產生中斷信號,單片機在中斷程序中向上位機發送測量數據。
11、本發明為了保證時間測量芯片對上下游時間測量的采樣基準點相同,在本實施例中,放大濾波2的輸出分為兩路,其中一路經峰值檢波器送入C8051F121的A/D轉換器。峰值 檢波器的原理及作用是:超聲回波信號是振鈴形式的正弦波脈沖信號,從放大濾波2的輸出端進入峰值檢波器的檢波二極管的正極,從負極輸出后給保持電容充電。因為二極管具有單向導電性,而同相跟隨器具有極高的輸入阻抗,當與保持電容并聯的電子開關斷開時,保持電容將一直對超聲回波信號充電并保持其峰值。在單片機的程序設計中,僅在回波到達前后的一段時間內,電子開關是斷開的,確保保持電容上的電壓是回波的峰值電壓,C8051F121通過片內的A/D轉換器對上下游的回波峰值信號進行采樣比較,并通過改變片內D/A轉換器的輸出電壓,調整AD603的增益,使上下游的超聲回波信號峰值相同,確保時間測量芯片每次對上下游時間測量的采樣基準點相同。當C8051F121每次采樣完回波信號后就控制電子開關短路,放掉保持電容兩端的電壓,為下次采樣作準備。

關 鍵 詞:
高精度 功耗 超聲 流量計
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:高精度低功耗超聲流量計.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6373773.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大