一种超声波流量检测电路

摘要

本发明公开了一种超声波流量检测电路，一种超声波流量检测电路由超声波源信号产生电路，信号发送、接收电路，检波电路，检相电路，“相-压”转换电路及微处理器的12位AD模块组成。在测量过程中，超声波源信号产生电路产生一个1MHZ的信号持续整个顺、逆流测量过程，超声波换能器接收到超声波信号后，经检波电路滤除掉噪音和干扰信号，此信号经检相电路和基准信号比较后产生相位差，经过“相-压”转换电路将测量信号转化为电压信号，最后通过微处理器的高精度AD测得电压伏值。由于超声波在顺、逆流传播的速度不同，最终测得的电压幅度也不同，通过二者电压差经过换算可得到时间差，通过相应公式可计算出流量。

权利要求

1.一种超声波流量检测电路由超声波源信号产生电路，信号发送、接收电路，检波电路，检相电路，“相-压”转换电路及微处理器的12位A/D转换模块组成，其特征是：超声波源信号产生电路，产生一个1MHZ的信号持续整个顺、逆流测量过程；检波电路，滤除掉噪音和干扰信号检测出真正的超声波信号，检波电路中，在每次测量开始微处理器通过I/O端口输出低使三极管Q2导通给比较器U6供电，持续整个测量过程，接收换能器接收的模拟信号送给比较器U6的同相端，其反相端为基准电平，主要通过电阻R22、R21和R20对电源电压分压得到，当电源电压为3.6V时，基准电压约为1.78V，也就是说接收到的信号中只有高于1.78v脉冲才被视为有效的，低于1.78V脉冲将被滤除；检相电路，将超声波传输的时间差转换为相位差信号，由或非门U4、双D触发器U7、双D触发器U8、非门U12、异或门U13组成，相位比较的基准信号经双D触发器U8组成的4分频器分频成1MHz同步信号，由双D触发器U8的8脚分别输出给异或门U13的2脚和或非门U4的3脚，但此同步信号的产生由微处理器的I/O端口和检波输出信号来控制，信号接收时，微处理器I/O端口76脚为高电平、

77脚为高电平，当检波电路检出的第一个脉冲由或非门U4反向后由其第10脚输出给双D触发器U7的11脚，此时双D触发器U7的8脚输出高电平，使经双D触发器U8产生的同步基准信号产生；“相-压”转换电路，将 相位差信号转换为电压信号，“相-压”转换电路通过X1、X2、X3三个PNP型的晶体管构成了一个简单的恒流源电路，C3是一个精密电容，线形度要非常好，运算放大器U2构成了一个电压跟随器，主要用于前级输入端的高阻态给电容充电，后级输出跟随前级以供微处理器AD测量；微处理器的12位A/D转换模块，对“相-压”转换电路输出的电压信号进行模拟信号到数字信号的转换，以便微处理器根据测得的数字信号通过相应的软件算法计算出流量。

说明书

一种超声波流量检测电路

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及流量测量领域，特别的公开了一种超声波流量检测电路。(二)背景技术

[0002] 当前，超声波用于流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表电磁式流量仪表相比它的计量精度高，对管径的适应性强，非接触流体，使用方便，易于数字化管理等等。超声波测流体流量的原理是：超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。而应用最为广泛的是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流体的流量。但是超声波在顺流、逆流中传播时间差 的测量量比较微小，对测量精度有一定的影响，为了提高测量精度，利用超声波在顺流、逆流中与基准波产生的相位差来测量流量为最佳选择。目前，大多数厂家选用德国ACAM专利产品TDC-GP2时间间隔测量芯片通过直接时间差来测量流量，这种方式如果信号发射与接收时间控制不精确或对电路设计精度不够高，会对时间测量产生随机误差，影响测量精度，尤其是在户有小管径小流量测量的时候稳定度非常差，且成本较高，为了降低成本、提高测量精度，我公司研发出一种超声波流量检测电路。(三)发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种超声波流量检测电路。

[0004] 本发明为了解决其技术难题所采取的技术方案是：

[0005] 本发明一种超声波流量检测电路由超声波源信号产生电路，信号发送、接收电路，检波电路，检相电路，“相-压”转换电路及微处理器的12位AD模块组成。其特征是：超声波源信号产生电路，产生一个1MHZ的信号持续整个顺、逆流测量过程；检波电路，滤除掉噪音和干扰信号检测出真正的超声波信号；检相电路，将超声波传输的时间差转换为相位差信号；“相-压”转换电路，将相位差信号转换为电压信号；微处理器的12位A/D转换模块，对“相-压”转换电路输出的电压信号进行模拟信号到数字信号的转换，以便微处理器根据测得的数字信号通过相应的软件算法计算出流量。

[0006] 1、超声波源信号产生电路：

[0007] 超声波源信号产生电路中，发射信号由微控制器的系统时钟(SMCLK)83引脚输出频率为4MHZ脉冲信号，此信号经U9(74HC1G86，异或门)提高信号驱动能力，再经U3(74HC74，双D触发器)组成的4分频电路，将4MHZ信号分频成1MHZ信号送给U4(74HC02，或非门)的11脚(A4)。该信号持续每一次测量的整个测量过程。

[0008] 2、信号发送、接收电路：

[0009] (1)信号发送：

[0010] 微处理器通过两个I/O端口(65、66脚)控制U5(74HC4053，模拟开关)进行发射、接收换能器的选择。当66脚为高、65脚为低时换能器1为发送换能器，换能器2为接收换能器(即为顺流测量)；当66脚为低、65脚为高时换能器2为发送换能器，换能器1为接收换能器(即为逆流测量)。

[0011] 发射、接收换能器确定后，由微处理器I/O端口(69脚)输出为低电平(平常为高电平)，使加载在U4(74HC02，或非门)11脚(A4)的发射信号反相后由U4的13脚(Y4)输出通过U5加载到事先选定的发射换能器上，激励换能器产生超声波。

[0012] (2)信号接收：

[0013] 当接收换能器接收到超声波后将超声波信号转换为模拟电信号经U5(74HC4053，模拟开关)、C3电容滤波后送给U6(LMX331，高速比较器)(即检波电路)。

[0014] 3、检波电路：

[0015] 检波电路主要是滤除噪音及干扰信号检出真正的超声波信号。由于检相电路是由高速比较器组成，一直工作功耗会很大，所以电路上对其供电进行控制，只有在测量时对其供电，平时无电。在每次测量开始微处理器通过I/O端口(67脚)输出低电平(平时为高电平)使Q2(9012)导通给U6(LMX331，高速比较器)供电，持续整个测量过程。

[0016] 接收换能器接收的模拟信号送给比较器U6(LMX331，高速比较器)的(1脚)同相端。其反相端(3)为基准电平，主要通过电阻R22、R21和R20对电源电压分压得到。当电源电压为3.6V时，基准电压约为1.78V，即接收到的信号中只有高于1.78v脉冲才被视为有效的，低于1.78V脉冲(噪音、干扰信号)将被滤除。经过检相电路接收模拟信号中的真实信号并转化为数字信号供后续检相电路处理。

[0017] 4、检相电路：

[0018] 检相电路是整个电路设计的核心。主要功能是将超声波传输的时间差转换为相位差信号。电路主要由U4(74HC02，或非门)、U7(74HC74，双D触发器)、U8(74HC74，双D触发器)、U12(74HC1G14，非门)、U13(74VLG79，异或门)组成。

[0019] 顺流、逆流测量是分别进行的，要想得到二者的相位差，必须有一个相对应的基准信号，这就是产生超声波的源信号(即微处理器的SMCLK信号输出(83脚))。

[0020] 相位比较的基准信号(微处理器83脚输出4MHz信号)经U8(74HC74，双D触发器)组成的4分频器分频成1MHz同步信号由U8的8脚(/Q2)分别输出给U13(74VLG79，异或门)的2脚(CLK信号)和U4(74HC02，或非门)的3脚(B1)，但此同步信号的产生由微处理器的I/O端口(77脚)和检波输出信号来控制(U4的8、9脚输入信号)。

[0021] 信号接收时，微处理器I/O端口76脚为高电平、77脚为高电平(平时为低)，当检波电路检出的第一个脉冲由U4反向后由其第10脚(Y3)输出给U7的11脚(CLK2)，此时U7的8脚(/Q2)输出高电平，使经U8产生的同步基准信号产生。

[0022] 通过微处理器I/O端口70脚输出10us的低电平(平常为高电平)从基准同步信号中产生10个脉冲的检相信号由U4的1脚(Y1)输出到U7的1脚(CLR1)，从U7的3脚(CLK1)输入检波后的信号(即接收信号)中检出与其相对应10个脉冲的相位差信号由U7的5脚(Q1)输出，经U12反向后输出给相-压转换电路。

[0023] 这里需要提到的是信号在检相电路的门电路、触发器中传播，由于硬件自身的延时同样会引入相差误差，但最终求得的顺、逆流的相差在相减过程中，硬件电路引入的相差误差是可以抵消掉的。另外，微处理器I/O端口70脚输出低电平的时间决定检相脉冲的个数，在上述电路原理介绍中取了10个检相脉冲来举例说明，实际取多少个检相脉冲要根据测量的量程和精度来定，但应为被检信号周期的整数倍。

[0024] 5、相-压转换电路：

[0025] 经过检相电路已检出顺(或逆)流测量信号与基准同步信号的相差信号，但微处理器是无法处理这个信号的。所以，必须将相差信号转换为微处理器能够识别的信号，这就是相压转换电路的作用。

[0026] 相压转换电路主要是通过10个相差脉冲信号控制简单恒流源电路对精密电容的充放电来实现相压转换的。相差在信号中的体现其实就是脉宽，相差越大，脉宽越大，即占空比越大，其实这部分电路就是利用了脉宽调制的原理来实现的。

[0027] 在电路上通过X1、X2、X3三个PNP型的晶体管构成了一个恒流源电路；C3是一个精密电容，线形度要非常好；U2(SGM358，运放)构成了一个电压跟随器，主要用于前级输入端的高阻态给电容充电，后级输出跟随前级以供微处理器AD测量。

[0028] 工作原理：在检相电路中微处理器I/O端口70脚输出低之前，微处理器的I/O端口2脚置为高阻态(平常做为输出口，输出0)，此时检相电路检出的10个相差脉冲控制恒流源对电容C3充电，相差越大，脉宽越宽，充电时间越长，在U2的同相输入端的电压幅度就越高。U2的输出端将转换的幅度信号送到微处理器的AD通道以微处理器测量处理。测量结束微处器I/O端口2脚置为输出口，输出低，使电容通过R2放电，以便下一次测量用。

[0029] 相压转换电路用到了运放，运放自身的静态功耗是非常大的，尤其是对功耗要求较低的场合影响是很大的。所以在电路设计上对运放的电源进行了控制，只有在每次测量的时候，才给运放供电。

[0030] 6、微处器器的AD测量：

[0031] 微处理器的AD主要是对相-压转换电路输出的电压信号进行测量，以便微处理器根据测得的数据通过相应算法计算出流量。当然电路也可配独立的AD芯片来用。AD的精度和基准电压根据所要求的测量精度来定。如果要达到足够高的精度，AD的精度要在12位以上。

[0032] 以上是超声波流量计量模块各部分电路的工作原理。另外，为了解决相-压转换电路恒流源部分及精密电容随温度变化而引入的误差，可以在每次进行顺逆流测量前通过微处理器I/O端口76脚输出1us(超声波频率为1MHz)的低电平(平时为高)，通过相-压转换电路产生一基准幅度信号，顺逆流最终测得幅差与此基准幅度相比就可将温度变化导致电路引入的误差抵消掉。(四)附图说明

[0033] 附图1为本发明一种超声波流量检测电路原理图(五)具体实施方式

[0034] 下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的描述。本发明的保护范围将不仅局限于下列内容的表述。

[0035] 一种超声波流量检测电路由超声波源信号产生电路，信号发送、接收电路，检波电路，检相电路，“相-压”转换电路及微处理器的12位AD模块组成。

[0036] 超声波源信号产生电路是由微控制器的SMCLK引脚输出频率为4MHZ脉冲信号，此信号经U9再经U3组成的4分频电路，将4MHZ信号分频成1MHZ信号送给U4的11脚(A4)。

[0037] 信号发送、接收电路：(1)信号发送：微处理器通过两个I/O端口(65、66脚)控制U5进行发射、接收换能器的选择。发射、接收换能器确定后，由微处理器I/O端口(69脚)输出为低(平常为高)，使加载在U4的11脚的发射信号反相后由U4的13脚输出通过U5加载到事先选定的发射换能器上，激励换能器产生超声波。(2)信号接收：当接收换能器接收到超声波后将超声波信号转换为模拟电信号经U5、C3电容滤波后送给U6(即检波电路)。

[0038] 检波电路：在每次测量开始微处理器通过I/O端口(67脚)输出低(平时为高)使Q2(9012)导通给U6(LMX331，高速比较器)供电，持续整个测量过程。接收换能器接收的模拟信号送给比较器U6的同相端。其反相端为基准电平，主要通过电阻R22、R21和R20对电源电压分压得到。微处理器的I/O端口(67)脚经电阻R24送至三极管Q2的基极，集电极经电阻R19送至比较器U6的的同相输入端，另集电极亦经电阻R22、电阻R21后送至U6的反相输入端。电阻R20、电容C13一端接至U6的反相输入端，一端接地。当电源电压为3.6V时，基准电压约为1.78V，即接收到的信号中只有高于1.78v脉冲才被视为有效的，低于1.78V脉冲将被滤除。经过检相电路接收模拟信号中的真实信号并转化为数字信号供后续检相电路处理。

[0039] 检相电路：电路主要由U4、U7、U8、U12、U13组成。微处理器83脚经U8组成的4分频器分频成1MHz同步信号由U8的8脚分别输出给U13的2脚和U4的3脚，但此同步信号的产生由微处器理的I/O端口(77脚)和检波输出信号来控制(U4的8、9脚输入信号)。信号接收时，微处理器I/O端口76脚为高、77脚为高(平时为低)，当检波电路检出的第一个脉冲由U4反向后由其第10脚(Y3)输出给U7的11脚(CLK2)，此时U7的8脚(/Q2)输出高，使经U8产生的同步基准信号产生；过微处理器I/O端口70脚输出10us的低电平(平常为高)从基准同步信号中产生10个脉冲的检相信号由U4的1脚(Y1)输出到U7的
1脚(CLR1)，从U7的3脚(CLK1)输入检波后的信号(即接收信号)中检出与其相对应10个脉冲的相位差信号由U7的5脚(Q1)输出，经U12反向后输出给相-压转换电路。

[0040] 相-压转换电路：在电路上通过X1、X2、X3三个PNP型的晶体管构成了一个简单的恒流源电路；C3是一个精密电容，线形度要非常好；U2(U2A和U2B)构成了一个电压跟随器，主要用于前级输入端的高阻态给电容充电，后级输出跟随前级以供微处理器AD测量。三极管X1的基极、三极管X2、三极管X3的基极并联后经电阻R4接于U12的输出端。三极管X1、三极管X2、三极管X3的发射极分别经电阻R5、电阻R6、电阻R7接至3.6V电源。U2A的输出端口经电阻R3、电阻R8并联电容C4后送至微控制器的I/O端口(97脚)。

[0041] 本电路应用于流量计量场合，利用本电路所开发的流量计及热量表、水表、燃气表亦在本发明的保护范围之内。