專利名稱：一種超聲波流量檢測電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流量測量領域，特別的公開了一種超聲波流量檢測電路。
背景技術：
當前，超聲波用于流體的流速測量有許多優(yōu)點。和傳統(tǒng)的機械式流量儀表電磁式流量儀表相比它的計量精度高，對管徑的適應性強，非接觸流體，使用方便，易于數(shù)字化管理等等。超聲波測流體流量的原理是超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息，因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。而應用最為廣泛的是利用一對超聲波換能器相向交替(或同時)收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流體的流量。但是超聲波在順流、逆流中傳播時間差Vt的測量量比較微小，對測量精度有一定的影響，為了提高測量精度，利用超聲波在順流、逆流中與基準波產(chǎn)生的相位差來測量流量為最佳選擇。目前，大多數(shù)廠家選用德國ACAM專利產(chǎn)品TDC-GP2時間間隔測量芯片通過直接時間差來測量流量，這種方式如果信號發(fā)射與接收時間控制不精確或?qū)﹄娐吩O計精度不夠高，會對時間測量產(chǎn)生隨機誤差，影響測量精度，尤其是在戶有小管徑小流量測量的時候穩(wěn)定度非常差， 且成本較高，為了降低成本、提高測量精度，我公司研發(fā)出一種超聲波流量檢測電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超聲波流量檢測電路。本發(fā)明為了解決其技術難題所采取的技術方案是本發(fā)明一種超聲波流量檢測電路由超聲波源信號產(chǎn)生電路，信號發(fā)送、接收電路， 檢波電路，檢相電路，“相-壓”轉(zhuǎn)換電路及微處理器的12位AD模塊組成。其特征是超聲波源信號產(chǎn)生電路，產(chǎn)生一個IMHZ的信號持續(xù)整個順、逆流測量過程；檢波電路，濾除掉噪音和干擾信號檢測出真正的超聲波信號；檢相電路，將超聲波傳輸?shù)臅r間差轉(zhuǎn)換為相位差信號；“相-壓”轉(zhuǎn)換電路，將相位差信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；微處理器的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊， 對“相-壓”轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號進行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，以便微處理器根據(jù)測得的數(shù)字信號通過相應的軟件算法計算出流量。1、超聲波源信號產(chǎn)生電路超聲波源信號產(chǎn)生電路中，發(fā)射信號由微控制器的系統(tǒng)時鐘(SMCLK)83引腳輸出頻率為4MHZ脈沖信號，此信號經(jīng)U9(74HC1G86，異或門)提高信號驅(qū)動能力，再經(jīng) U3 (74HC74，雙D觸發(fā)器)組成的4分頻電路，將4MHZ信號分頻成IMHZ信號送給U4 (74HC02, 或非門)的11腳(A4)。該信號持續(xù)每一次測量的整個測量過程。2、信號發(fā)送、接收電路(1)信號發(fā)送微處理器通過兩個I/O端口(65、66腳)控制TO (74HC4053，模擬開關)進行發(fā)射、 接收換能器的選擇。當66腳為高、65腳為低時換能器1為發(fā)送換能器，換能器2為接收換能器(即為順流測量)；當66腳為低、65腳為高時換能器2為發(fā)送換能器，換能器1為接收換能器(即為逆流測量)。發(fā)射、接收換能器確定后，由微處理器I/O端口(69腳)輸出為低電平(平常為高電平)，使加載在U4(74HC02，或非門)11腳(A4)的發(fā)射信號反相后由U4的13腳(Y4)輸出通過U5加載到事先選定的發(fā)射換能器上，激勵換能器產(chǎn)生超聲波。(2)信號接收當接收換能器接收到超聲波后將超聲波信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號經(jīng)TO(74HC4053， 模擬開關)、C3電容濾波后送給U6 (LMX331，高速比較器)(即檢波電路)。3、檢波電路檢波電路主要是濾除噪音及干擾信號檢出真正的超聲波信號。由于檢相電路是由高速比較器組成，一直工作功耗會很大，所以電路上對其供電進行控制，只有在測量時對其供電，平時無電。在每次測量開始微處理器通過I/O端口(67腳)輸出低電平(平時為高電平)使92(901 導通給TO(LMX331，高速比較器)供電，持續(xù)整個測量過程。接收換能器接收的模擬信號送給比較器U6(LMX331，高速比較器)的(1腳)同相端。其反相端(3)為基準電平，主要通過電阻R22、R21和R20對電源電壓分壓得到。當電源電壓為3. 6V時，基準電壓約為1. 78V，即接收到的信號中只有高于1. 78v脈沖才被視為有效的，低于1.78V脈沖(噪音、干擾信號)將被濾除。經(jīng)過檢相電路接收模擬信號中的真實信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供后續(xù)檢相電路處理。4、檢相電路檢相電路是整個電路設計的核心。主要功能是將超聲波傳輸?shù)臅r間差轉(zhuǎn)換為相位差信號。電路主要由U4 (74HC02,或非門)、U7 (74HC74，雙D觸發(fā)器)、U8 (74HC74，雙D觸發(fā)器)、U12(74HC1G14，非門)、U13(74VLG79，異或門)組成。順流、逆流測量是分別進行的，要想得到二者的相位差，必須有一個相對應的基準信號，這就是產(chǎn)生超聲波的源信號(即微處理器的SMCLK信號輸出(83腳))。相位比較的基準信號(微處理器83腳輸出4MHz信號)經(jīng)U8 (74HC74，雙D觸發(fā)器)組成的4分頻器分頻成IMHz同步信號由現(xiàn)的8腳(/Q2)分別輸出給U13 (74VLG79，異或門)的2腳(CLK信號)和U4(74HC02，或非門)的3腳(Bi)，但此同步信號的產(chǎn)生由微處理器的I/O端口(77腳)和檢波輸出信號來控制(U4的8、9腳輸入信號)。信號接收時，微處理器I/O端口 76腳為高電平、77腳為高電平(平時為低)，當檢波電路檢出的第一個脈沖由U4反向后由其第10腳(Y3)輸出給U7的11腳(CLK2)，此時 U7的8腳(/(^)輸出高電平，使經(jīng)U8產(chǎn)生的同步基準信號產(chǎn)生。通過微處理器I/O端口 70腳輸出IOus的低電平(平常為高電平)從基準同步信號中產(chǎn)生10個脈沖的檢相信號由諷的1腳(Yl)輸出到價的1腳(CLR1)，從價的3腳 (CLKl)輸入檢波后的信號(即接收信號)中檢出與其相對應10個脈沖的相位差信號由U7 的5腳0)1)輸出，經(jīng)U12反向后輸出給相-壓轉(zhuǎn)換電路。這里需要提到的是信號在檢相電路的門電路、觸發(fā)器中傳播，由于硬件自身的延時同樣會引入相差誤差，但最終求得的順、逆流的相差在相減過程中，硬件電路引入的相差誤差是可以抵消掉的。另外，微處理器I/O端口 70腳輸出低電平的時間決定檢相脈沖的個數(shù)，在上述電路原理介紹中取了 10個檢相脈沖來舉例說明，實際取多少個檢相脈沖要根據(jù)測量的量程和精度來定，但應為被檢信號周期的整數(shù)倍。5、相-壓轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過檢相電路已檢出順(或逆)流測量信號與基準同步信號的相差信號，但微處理器是無法處理這個信號的。所以，必須將相差信號轉(zhuǎn)換為微處理器能夠識別的信號，這就是相壓轉(zhuǎn)換電路的作用。相壓轉(zhuǎn)換電路主要是通過10個相差脈沖信號控制簡單恒流源電路對精密電容的充放電來實現(xiàn)相壓轉(zhuǎn)換的。相差在信號中的體現(xiàn)其實就是脈寬，相差越大，脈寬越大，即占空比越大，其實這部分電路就是利用了脈寬調(diào)制的原理來實現(xiàn)的。在電路上通過XI、X2、X3三個PNP型的晶體管構成了一個恒流源電路；C3是一個精密電容，線形度要非常好；U2(SGM358，運放)構成了一個電壓跟隨器，主要用于前級輸入端的高阻態(tài)給電容充電，后級輸出跟隨前級以供微處理器AD測量。工作原理在檢相電路中微處理器I/O端口 70腳輸出低之前，微處理器的I/O端口 2腳置為高阻態(tài)(平常做為輸出口，輸出0)，此時檢相電路檢出的10個相差脈沖控制恒流源對電容C3充電，相差越大，脈寬越寬，充電時間越長，在U2的同相輸入端的電壓幅度就越高。U2的輸出端將轉(zhuǎn)換的幅度信號送到微處理器的AD通道以微處理器測量處理。測量結(jié)束微處器I/O端口 2腳置為輸出口，輸出低，使電容通過R2放電，以便下一次測量用。相壓轉(zhuǎn)換電路用到了運放，運放自身的靜態(tài)功耗是非常大的，尤其是對功耗要求較低的場合影響是很大的。所以在電路設計上對運放的電源進行了控制，只有在每次測量的時候，才給運放供電。6、微處器器的AD測量 微處理器的AD主要是對相-壓轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號進行測量，以便微處理器根據(jù)測得的數(shù)據(jù)通過相應算法計算出流量。當然電路也可配獨立的AD芯片來用。AD的精度和基準電壓根據(jù)所要求的測量精度來定。如果要達到足夠高的精度，AD的精度要在12位以上。以上是超聲波流量計量模塊各部分電路的工作原理。另外，為了解決相-壓轉(zhuǎn)換電路恒流源部分及精密電容隨溫度變化而引入的誤差，可以在每次進行順逆流測量前通過微處理器I/O端口 76腳輸出Ius (超聲波頻率為IMHz)的低電平(平時為高)，通過相-壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一基準幅度信號，順逆流最終測得幅差與此基準幅度相比就可將溫度變化導致電路引入的誤差抵消掉。


附圖1為本發(fā)明一種超聲波流量檢測電路原理圖
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細的描述。本發(fā)明的保護范圍將不僅局限于下列內(nèi)容的表述。一種超聲波流量檢測電路由超聲波源信號產(chǎn)生電路，信號發(fā)送、接收電路，檢波電路，檢相電路，“相-壓”轉(zhuǎn)換電路及微處理器的12位AD模塊組成。超聲波源信號產(chǎn)生電路是由微控制器的SMCLK引腳輸出頻率為4MHZ脈沖信號，此信號經(jīng)U9再經(jīng)U3組成的4分頻電路，將4MHZ信號分頻成IMHZ信號送給U4的11腳(A4)。信號發(fā)送、接收電路(1)信號發(fā)送微處理器通過兩個I/O端口(65、66腳)控制 U5進行發(fā)射、接收換能器的選擇。發(fā)射、接收換能器確定后，由微處理器I/O端口(69腳) 輸出為低(平常為高)，使加載在U4的11腳的發(fā)射信號反相后由U4的13腳輸出通過U5 加載到事先選定的發(fā)射換能器上，激勵換能器產(chǎn)生超聲波。( 信號接收當接收換能器接收到超聲波后將超聲波信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號經(jīng)U5、C3電容濾波后送給TO (即檢波電路)。檢波電路在每次測量開始微處理器通過I/O端口(67腳)輸出低(平時為高) 使02(901 導通給TO(LMX331，高速比較器)供電，持續(xù)整個測量過程。接收換能器接收的模擬信號送給比較器U6的同相端。其反相端為基準電平，主要通過電阻R22、R21和R20 對電源電壓分壓得到。微處理器的I/O端口(67)腳經(jīng)電阻RM送至三極管Q2的基極，集電極經(jīng)電阻R19送至比較器U6的的同相輸入端，另集電極亦經(jīng)電阻R22、電阻R21后送至 U6的反相輸入端。電阻R20、電容C13 —端接至TO的反相輸入端，一端接地。當電源電壓為3. 6V時，基準電壓約為1. 78V，即接收到的信號中只有高于1. 78v脈沖才被視為有效的， 低于1. 78V脈沖將被濾除。經(jīng)過檢相電路接收模擬信號中的真實信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供后續(xù)檢相電路處理。檢相電路電路主要由U4、U7、U8、U12、U13組成。微處理器83腳經(jīng)U8組成的4 分頻器分頻成IMHz同步信號由U8的8腳分別輸出給U13的2腳和U4的3腳，但此同步信號的產(chǎn)生由微處器理的I/O端口(77腳)和檢波輸出信號來控制(U4的8、9腳輸入信號)。 信號接收時，微處理器I/O端口 76腳為高、77腳為高(平時為低)，當檢波電路檢出的第一個脈沖由U4反向后由其第10腳(Y3)輸出給U7的11腳(CLK2)，此時U7的8腳(/Q2) 輸出高，使經(jīng)U8產(chǎn)生的同步基準信號產(chǎn)生；過微處理器I/O端口 70腳輸出IOus的低電平 (平常為高)從基準同步信號中產(chǎn)生10個脈沖的檢相信號由U4的1腳(Yl)輸出到U7的 1腳(CLRl)，從U7的3腳(CLKl)輸入檢波后的信號(即接收信號)中檢出與其相對應10 個脈沖的相位差信號由價的5腳Oil)輸出，經(jīng)U12反向后輸出給相-壓轉(zhuǎn)換電路。相-壓轉(zhuǎn)換電路在電路上通過XI、X2、X3三個PNP型的晶體管構成了一個簡單的恒流源電路；C3是一個精密電容，線形度要非常好；U2(U2A和U2B)構成了一個電壓跟隨器，主要用于前級輸入端的高阻態(tài)給電容充電，后級輸出跟隨前級以供微處理器AD測量。 三極管Xl的基極、三極管X2、三極管X3的基極并聯(lián)后經(jīng)電阻R4接于U12的輸出端。三極管XI、三極管X2、三極管X3的發(fā)射極分別經(jīng)電阻R5、電阻R6、電阻R7接至3. 6V電源。U2A 的輸出端口經(jīng)電阻R3、電阻R8并聯(lián)電容C4后送至微控制器的I/O端口(97腳)。本電路應用于流量計量場合，利用本電路所開發(fā)的流量計及熱量表、水表、燃氣表亦在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種超聲波流量檢測電路由超聲波源信號產(chǎn)生電路，信號發(fā)送、接收電路，檢波電路，檢相電路，“相-壓”轉(zhuǎn)換電路及微處理器的12位AD模塊組成，其特征是超聲波源信號產(chǎn)生電路，產(chǎn)生一個IMHZ的信號持續(xù)整個順、逆流測量過程；檢波電路，濾除掉噪音和干擾信號檢測出真正的超聲波信號；檢相電路，將超聲波傳輸?shù)臅r間差轉(zhuǎn)換為相位差信號；“相-壓”轉(zhuǎn)換電路，將相位差信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；微處理器的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，對 “相-壓”轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號進行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，以便微處理器根據(jù)測得的數(shù)字信號通過相應的軟件算法計算出流量。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種超聲波流量檢測電路，其特征是檢波電路中，在每次測量開始微處理器通過I/O端口輸出低使Q2導通給TO供電，持續(xù)整個測量過程，接收換能器接收的模擬信號送給比較器U6的同相端，其反相端為基準電平，主要通過電阻R22、R21和 R20對電源電壓分壓得到，當電源電壓為3. 6V時，基準電壓約為1. 78V，也就是說接收到的信號中只有高于1. 78v脈沖才被視為有效的，低于1. 78V脈沖將被濾除。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種超聲波流量檢測電路，其特征是檢相電路主要由U4、 U7、U8、U12、U13組成；相位比較的基準信號經(jīng)U8組成的4分頻器分頻成IMHz同步信號，由 U8的8腳分別輸出給U13的2腳和U4的3腳，但此同步信號的產(chǎn)生由微處理器的I/O端口和檢波輸出信號來控制；信號接收時，微處理器I/O端口 76腳為高電平、77腳為高電平，當檢波電路檢出的第一個脈沖由U4反向后由其第10腳輸出給U7的11腳，此時U7的8腳輸出高電平，使經(jīng)U8產(chǎn)生的同步基準信號產(chǎn)生。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種超聲波流量檢測電路，其特征是“相-壓”轉(zhuǎn)換電路通過X1、X2、X3三個PNP型的晶體管構成了一個簡單的恒流源電路；C3是一個精密電容，線形度要非常好；U2構成了一個電壓跟隨器，主要用于前級輸入端的高阻態(tài)給電容充電，后級輸出跟隨前級以供微處理器AD測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波流量檢測電路，一種超聲波流量檢測電路由超聲波源信號產(chǎn)生電路，信號發(fā)送、接收電路，檢波電路，檢相電路，“相-壓”轉(zhuǎn)換電路及微處理器的12位AD模塊組成。在測量過程中，超聲波源信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個1MHz的信號持續(xù)整個順、逆流測量過程，超聲波換能器接收到超聲波信號后，經(jīng)檢波電路濾除掉噪音和干擾信號，此信號經(jīng)檢相電路和基準信號比較后產(chǎn)生相位差，經(jīng)過“相-壓”轉(zhuǎn)換電路將測量信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，最后通過微處理器的高精度AD測得電壓伏值。由于超聲波在順、逆流傳播的速度不同，最終測得的電壓幅度也不同，通過二者電壓差經(jīng)過換算可得到時間差，通過相應公式可計算出流量。
文檔編號G01F1/66GK102200457SQ20101013273
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權日2010年3月26日
發(fā)明者關保東, 楚棟庭, 袁金龍, 費戰(zhàn)波 申請人:河南新天科技股份有限公司