介紹超聲波水流量計的原理以及在測量水流時所考慮的物理參數。本設計的硬件核心部分，采用高精度的TDC-GP2時間測量芯片以及STC89C58RD+單片機，成功地實現了瞬時流量的測量與輔助功能，具有較廣闊的研究前景和應用價值。

0.引言

隨著電子器件進一步研究和聲楔方面材料等技術的發展，超聲波脈沖測量流體流量的技術發展迅速。市面上流量計多樣化，根據測量原理、方法和結構特征的不同，可將流量計分為超聲波流量計、電磁流量計、渦輪流量計、差壓式流量計、轉子流量計等。本文設計的超聲波流量計是一種非接觸式儀表，它既可以測量大管徑的介質流量，也可以用于不易接觸和觀察的介質的測量。尤其適合于測量不易接觸的管道液體和大管徑流體，從而解決了大管徑、大流量和各種明渠、暗渠測量很困難的問題，且不會受到較多的因素影響，這些優點符合商家以及企業用戶對水流量計的市場需求。

1.測量原理

1. 1測量流體的物理參數

本文在測量或者研究管道流體時，首先要了解被測量流體的流動規律和進行流量測量。所以，對于流體的密度、粘度、雷諾數等重要物理參數必須要清楚。查閱資料可以發現這些參數和流體所處環境的溫度、壓力密切相關，即所有流量測量結果都是在一定的溫度和壓力的環境下產生的。

1.1.1流體密度

在一般工業生產中，流體通常可視為均勻流體，而且流體密度是流體中重要的參數之一，表示為單位體積內流體的質量：

1.1.2流體粘度

粘度是流體粘滯性的一種量度。在工程上，液體的粘度受溫度的影響，在壓力很高的情況下才需考慮壓力的影響。隨溫度的升高，液體粘度會降低，氣體粘度則升高。流體動力粘

1.1.3雷諾數

在進行管道流量測量時，雷諾數代表著流態，既反映管道中的流體的特性，同時也反映管道的特性。

在流體流動時，雷諾數是慣性力和粘性力之比：

雷諾數越小意味著粘性力影響越顯著，反之， 慣性力影響越顯著。雷諾數很小的流動，例如霧 珠的降落或潤滑膜內的流動過程，各質點間的粘 性力起重要作用，流體將平行于管道有規則地流 動，屬于流態的層流流動狀態。雷諾數很大的流 動，例如飛機近地面飛行時相對于飛機的氣流，慣 性力則起重要作用，屬于流態湍流流動狀態。工 程實踐中，常取&為2000。流態的判別標準為: 當雷諾數Re<2 000為層流狀態，當雷諾數Re >

000為湍流狀態。

1. 2時差法超聲波水流量計的基本原理

時差法是目前比較常用的測量方法，本設計主要采用時差法，可以比較地測量流體流速。時差法是根據超聲波傳播速度的不同，測量順、逆流傳播時弓丨起的時間差來間接測量流體流速。時差法的基本原理如圖1所示。

2.主要架構和設計原理

TDC-GP2由ACAM公司生產，屬于通用 TDC系列產品，屬于高精度時間測量芯片，有著很 小的封裝。GP2有高速脈沖發生器，能停止信號 使能，溫度測量和時鐘控制等功能。數字TDC是 用信號通過內部門電路的傳播延遲來進行高精度 時間間隔測量的，而且芯片上的智能電路結構、擔 保電路和特殊的布線方法使得芯片可以地記 下信號通過門電路的個數。圖2顯示了這種測量 時間TDC的主要架構。

芯片的測量范圍為2 us ~ 1. 8 ^s0 TDC在運 行中，INTN中斷允許標志位觸發高電位，START信號觸發測量單元，直到收到STOP信號才停止， 但高速單元并不測量整個時間間隔，僅僅測量從 START和STOP到相鄰的基準時鐘上升沿之間的 時間間隔，并同時記下基準時鐘的周期數。圖3 為TDC-GP2芯片內部構造在超聲波水流量計中與 LCM顯示模塊等模塊連接的電路設計原理示 意圖。

設計圖中可以用市面上集成好的監控芯 片(例:美國IMP公司生產的系統#監控芯片-IMP706芯片）以及放大電路、顯示模塊、外設串口 與STC單片機集成的模塊通過對應串口之間連 接，使得電路控制系統***小、***簡化，以致于數據 處理較快，靈敏度較強。

3.STC89C51RD +系列單片機

3.1低功耗單片機STC

本文選擇的是南通國芯有限責任公司采用*** 新技術生產的51系列STC89C51RD +單片機。它 是***新一代產品，具有低功耗、聞速、超強抗干擾 的優點，其指令代碼完全兼容8051單片機，有3 個16位定時器/計數器，并且可以任意選擇12時 鐘/機械周期和6時鐘/機械周期，同時有HD版本 和90C版本。實際的工作頻率可達48MHz，有 512字節或1280字節的RAM。STC89CRD +系列單片機具備如下特點。

（1）工作電壓廣:5 V單片機類為5. 5~3. 3V、

V單片機類為3.8 ~ 2.0 V；

（2）兩種編程模式可供選擇:在系統可編程 (ISP)，在應用可編程(IAP)。無需專用編程器和 專用仿真器，可通過串口 (RXD/P3. 0，TXD/P3. 1) 直接下載用戶程序，而且數據之間互相傳輸速度 很快，工作穩定；

（3）用戶應用程序空間選擇多:4 K、8K、13K、 16 K、32K、64K字節，適應性強；

（4）通用I/O 口數量多達35至39個，復位后 P1、P2、P3、P4是準雙向口；P0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，無需加上拉電阻，作為I/O 口用時，需加上上拉電阻；

(5)STC89C系列新增加的ISP_CONTR特殊 功能寄存器，使得具有了軟復位功能，而且內部集 成了 MAX810專用復位電路，當外部晶體20 MHz 以下時，可以省掉外部復位電路；

(6)內置看門狗電路；

(7)擁有4路外部中斷，下降沿中斷或低電平 觸發中斷，對于PowerDown模式可由外部中斷低 電平觸發，中斷方式喚醒

3.2單片機與各個電路模塊工作情況

本文將硬件電路分成六個部分，分別是：時 間測量芯片TDC-GP2及其外路總線、單片機 STC89C58RD +、流量測量控制電路、電源穩壓 部分、LCM顯示模塊、蜂鳴器報警部分和串口 通信部分。圖4為超聲波水流量計硬件電路 框圖。

首先時間測量芯片TDC-GP2開始作用，主要 是測量超聲波在順、逆流時的傳播時間，而 且測量開始信號與結束信號分別由單片機和測 量控制電路的過零比較器輸出端提供。單片機 STC89C58RD+用于發出測量命令，控制TDC-GP2芯片FIRE1或FIRE2端發出脈沖，并在 TDC-GP2時間測量結束時讀取測量數據，并在中斷服務程序中進行數據處理，計算出瞬時流量 值，還對流量值進行閾值報警以及LCM顯示的 控制。流量測量控制電路用于控制超聲波的順 逆流發射狀態以及接收超聲波信號后對其進行 濾波放大處理。它由模擬開關、過零比較器、異 或門和濾波部分組成。通過單片機對模擬開關 的使能控制，可以確定超聲波發射時的狀態，即 順流狀態或逆流狀態;異或門作為兩輸人單輸出的邏輯器件，可以保證FIRE1和FIRE2端發射的 脈沖都可以輸人到TDC-GP2芯片的START端， 作為測量開始信號;濾波部分可以濾除接收到的超聲波信號的低頻噪聲;過零比較器由放大器組成，將接收到的超聲波信號輸出為TDC-GP2芯 片可以識別的矩形波脈沖信號，以此信號作為測 量結束信號輸出給ST0P1端。電源穩壓部分可 以準確穩壓出3.3V電壓，此電壓可以供給單片 機、TDC-GP2使用。

LCM顯示模塊、蜂鳴器報警部分屬于本設計 的輔助部分，它們均由STC89C58RD +控制，分別 實現流量值顯示和報警功能。串口通信部分用于 單片機和上位機進行通信，本設計沒有過多研究， 僅在硬件上加以表亦。

3.3主要工作內容

首先，單片機在進行測量時需要初始化TDC-GP2芯片里面的參數再進行配置;之后，單片機需 要控制TDC-GP2的FIRE1和FIRE2引腳在順逆 流測量時分別給高電平信號，順逆流狀態的確定 是由模擬開關實現的，而模擬開關也是由單片機 的I/O 口控制，通過在順流和逆流時狀態的切換， 來測量使TDC-GP2順逆流時間;不僅如此，單片機需要在TDC-GP2芯片接收到STOP信號并發出中 斷請求時才能響應，其中響應過程先從TDC-GP2 芯片中讀取出測量時間值，然后調用數據處理子 程序，把TDC-GP2測量出的和代入程序已經寫好 的數學表達式中，由此求出瞬時流量值的數據，并 調用LCM顯示子程序在顯示模塊中顯示，顯示同 時調用蜂鳴器報警子程序檢測流量值是否需要報 警，如果超了規定數值，蜂鳴器發聲，反之，工作正 常無任何聲音。***后，單片機還需要做的工作是 與上位機進行通信，它可以將流量信息進行存儲 以備上位機查詢使用。

3.4軟件設計及程序流程

本文在進行軟件設計時，有考慮到如何規劃 軟件應該實現的各項功能。首先，軟件設置有三 個平行的中斷源:一個是用于響應外部測量命令的，即當外部需要本系統進行流量測量時便給單片機一個外中斷信號，由單片機響應此中斷并進行流量測量;另一個是用于響應TDC-GP2的，當 TDC-GP2時間測量結束時便給單片機發出一個中 斷信號，單片機響應中斷，便從TOC-GK中讀取測 量數據進行處理;***后是用于自檢功能，即由單片 機內部的定時器定時，并且時間可以自己設定，當 定時時間一到，便進行一次流量測量，并如此循 環，形成流量自檢功能。

圖5為參數測試流程圖。通過在單片機 STC89C58RD +的INT1引腳，外部測量發出命令 相當于開關，而且每按下開關就是把一個中斷命

令向引腳輸出，單片機響應中斷后會去調用測量 程序進行流量測量。之前需要初始化TDC-GP2參 數并設置，其中有設置測量控制電路中的模擬開 關，在時間測量結束后需要調用各個部分的子程 序完成數據處理、顯示和報警。

4.結論

本文設計的超聲波流量計不僅運用時差法 原理，而且屬于非接觸式儀表，通過高精度計時 芯片TDC-GP2測時模塊，在測量管徑為 25. 4 mm的流體時，顯示系統顯示測量數據，其 測量精度為±1%，符合系統設計要求，適用于 大多場合。再加上超聲波傳感器以及設計的外 圍電路，具有降低功耗、保證測量精度，同時傳 感器不用放在流體中，可以排除測量的附加阻 力的影響。