超声波水流量计的设计
介绍超声波水流量计的原理以及在测量水流时所考虑的物理参数。本设计的硬件核心部分，采用高精度的tdc-gp2时间测量芯片以及stc89c58rd+单片机，成功地实现了瞬时流量的测量与辅助功能，具有较广阔的研究前景和应用价值。
0.引言
随着电子器件进一步研究和声楔方面材料等技术的发展，超声波脉冲测量流体流量的技术发展迅速。市面上流量计多样化，根据测量原理、方法和结构特征的不同，可将流量计分为超声波流量计、电磁流量计、涡轮流量计、差压式流量计、转子流量计等。本文设计的超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量，也可以用于不易接触和观察的介质的测量。尤其适合于测量不易接触的管道液体和大管径流体，从而解决了大管径、大流量和各种明渠、暗渠测量很困难的问题，且不会受到较多的因素影响，这些优点符合商家以及企业用户对水流量计的市场需求。
1.测量原理
1.1测量流体的物理参数
本文在测量或者研究管道流体时，首先要了解被测量流体的流动规律和进行流量测量。所以，对于流体的密度、粘度、雷诺数等重要物理参数必须要清楚。查阅资料可以发现这些参数和流体所处环境的温度、压力密切相关，即所有流量测量结果都是在一定的温度和压力的环境下产生的。
1.1.1流体密度
在一般工业生产中，流体通常可视为均匀流体，而且流体密度是流体中重要的参数之一，表示为单位体积内流体的质量：
1.1.2流体粘度
粘度是流体粘滞性的一种量度。在工程上，液体的粘度受温度的影响，在压力很高的情况下才需考虑压力的影响。随温度的升高，液体粘度会降低，气体粘度则升高。流体动力粘
1.1.3雷诺数
在进行管道流量测量时，雷诺数代表着流态，既反映管道中的流体的特性，同时也反映管道的特性。
在流体流动时，雷诺数是惯性力和粘性力之比：
雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，反之，惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动，例如雾珠的降落或润滑膜内的流动过程，各质点间的粘性力起重要作用，流体将平行于管道有规则地流动，属于流态的层流流动状态。雷诺数很大的流动，例如飞机近地面飞行时相对于飞机的气流，惯性力则起重要作用，属于流态湍流流动状态。工程实践中，常取&为2000。流态的判别标准为:当雷诺数re<2000为层流状态，当雷诺数re>
000为湍流状态。
1.2时差法超声波水流量计的基本原理
时差法是目前比较常用的测量方法，本设计主要采用时差法，可以比较地测量流体流速。时差法是根据超声波传播速度的不同，测量顺、逆流传播时弓丨起的时间差来间接测量流体流速。时差法的基本原理如图1所示。
2.主要架构和设计原理
tdc-gp2由acam公司生产，属于通用tdc系列产品，属于高精度时间测量芯片，有着很小的封装。gp2有高速脉冲发生器，能停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能。数字tdc是用信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的，而且芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方法使得芯片可以地记下信号通过门电路的个数。图2显示了这种测量时间tdc的主要架构。
芯片的测量范围为2us~1.8^s0tdc在运行中，intn中断允许标志位触发高电位，start信号触发测量单元，直到收到stop信号才停止，但高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从start和stop到相邻的基准时钟上升沿之间的时间间隔，并同时记下基准时钟的周期数。图3为tdc-gp2芯片内部构造在超声波水流量计中与lcm显示模块等模块连接的电路设计原理示意图。
设计图中可以用市面上集成好的监控芯片(例:美国imp公司生产的系统#监控芯片-imp706芯片）以及放大电路、显示模块、外设串口与stc单片机集成的模块通过对应串口之间连接，使得电路控制系统***小、***简化，以致于数据处理较快，灵敏度较强。
3.stc89c51rd+系列单片机
3.1低功耗单片机stc
本文选择的是南通国芯有限责任公司采用***新技术生产的51系列stc89c51rd+单片机。它是***新一代产品，具有低功耗、闻速、*抗干扰的优点，其指令代码*兼容8051单片机，有3个16位定时器/计数器，并且可以任意选择12时钟/机械周期和6时钟/机械周期，同时有hd版本和90c版本。实际的工作频率可达48mhz，有512字节或1280字节的ram。stc89crd+系列单片机具备如下特点。
（1）工作电压广:5v单片机类为5.5~3.3v、
v单片机类为3.8~2.0v；
（2）两种编程模式可供选择:在系统可编程(isp)，在应用可编程(iap)。无需编程器和仿真器，可通过串口(rxd/p3.0，txd/p3.1)直接下载用户程序，而且数据之间互相传输速度很快，工作稳定；
（3）用户应用程序空间选择多:4k、8k、13k、16k、32k、64k字节，适应性强；
（4）通用i/o口数量多达35至39个，复位后p1、p2、p3、p4是准双向口；p0口是开漏输出，作为总线扩展用时，无需加上拉电阻，作为i/o口用时，需加上上拉电阻；
(5)stc89c系列新增加的isp_contr特殊功能寄存器，使得具有了软复位功能，而且内部集成了max810复位电路，当外部晶体20mhz以下时，可以省掉外部复位电路；
(6)内置看门狗电路；
(7)拥有4路外部中断，下降沿中断或低电平触发中断，对于powerdown模式可由外部中断低电平触发，中断方式唤醒
3.2单片机与各个电路模块工作情况
本文将硬件电路分成六个部分，分别是：时间测量芯片tdc-gp2及其外路总线、单片机stc89c58rd+、流量测量控制电路、电源稳压部分、lcm显示模块、蜂鸣器报警部分和串口通信部分。图4为超声波水流量计硬件电路框图。
首先时间测量芯片tdc-gp2开始作用，主要是测量超声波在顺、逆流时的传播时间，而且测量开始信号与结束信号分别由单片机和测量控制电路的过零比较器输出端提供。单片机stc89c58rd+用于发出测量命令，控制tdc-gp2芯片fire1或fire2端发出脉冲，并在tdc-gp2时间测量结束时读取测量数据，并在中断服务程序中进行数据处理，计算出瞬时流量值，还对流量值进行阈值报警以及lcm显示的控制。流量测量控制电路用于控制超声波的顺逆流发射状态以及接收超声波信号后对其进行滤波放大处理。它由模拟开关、过零比较器、异或门和滤波部分组成。通过单片机对模拟开关的使能控制，可以确定超声波发射时的状态，即顺流状态或逆流状态;异或门作为两输人单输出的逻辑器件，可以保证fire1和fire2端发射的脉冲都可以输人到tdc-gp2芯片的start端，作为测量开始信号;滤波部分可以滤除接收到的超声波信号的低频噪声;过零比较器由放大器组成，将接收到的超声波信号输出为tdc-gp2芯片可以识别的矩形波脉冲信号，以此信号作为测量结束信号输出给st0p1端。电源稳压部分可以准确稳压出3.3v电压，此电压可以供给单片机、tdc-gp2使用。
lcm显示模块、蜂鸣器报警部分属于本设计的辅助部分，它们均由stc89c58rd+控制，分别实现流量值显示和报警功能。串口通信部分用于单片机和上位机进行通信，本设计没有过多研究，仅在硬件上加以表亦。
3.3主要工作内容
首先，单片机在进行测量时需要初始化tdc-gp2芯片里面的参数再进行配置;之后，单片机需要控制tdc-gp2的fire1和fire2引脚在顺逆流测量时分别给高电平信号，顺逆流状态的确定是由模拟开关实现的，而模拟开关也是由单片机的i/o口控制，通过在顺流和逆流时状态的切换，来测量使tdc-gp2顺逆流时间;不仅如此，单片机需要在tdc-gp2芯片接收到stop信号并发出中断请求时才能响应，其中响应过程先从tdc-gp2芯片中读取出测量时间值，然后调用数据处理子程序，把tdc-gp2测量出的和代入程序已经写好的数学表达式中，由此求出瞬时流量值的数据，并调用lcm显示子程序在显示模块中显示，显示同时调用蜂鸣器报警子程序检测流量值是否需要报警，如果超了规定数值，蜂鸣器发声，反之，工作正常无任何声音。***后，单片机还需要做的工作是与上位机进行通信，它可以将流量信息进行存储以备上位机查询使用。
3.4软件设计及程序流程
本文在进行软件设计时，有考虑到如何规划软件应该实现的各项功能。首先，软件设置有三个平行的中断源:一个是用于响应外部测量命令的，即当外部需要本系统进行流量测量时便给单片机一个外中断信号，由单片机响应此中断并进行流量测量;另一个是用于响应tdc-gp2的，当tdc-gp2时间测量结束时便给单片机发出一个中断信号，单片机响应中断，便从toc-gk中读取测量数据进行处理;***后是用于自检功能，即由单片机内部的定时器定时，并且时间可以自己设定，当定时时间一到，便进行一次流量测量，并如此循环，形成流量自检功能。
图5为参数测试流程图。通过在单片机stc89c58rd+的int1引脚，外部测量发出命令相当于开关，而且每按下开关就是把一个中断命
令向引脚输出，单片机响应中断后会去调用测量程序进行流量测量。之前需要初始化tdc-gp2参数并设置，其中有设置测量控制电路中的模拟开关，在时间测量结束后需要调用各个部分的子程序完成数据处理、显示和报警。
4.结论
本文设计的超声波流量计不仅运用时差法原理，而