小型渠道中超声波短距测流的设计

论文摘要

在工业生产和农业灌溉方面,流量检测是至关重要的技术。利用这项技术可以有效地提高生产效率、促进环境保护以及节约水资源。常用的流量监测技术存在一定的弊端即需要与被测流体进行接触,但是在一些特殊的场合比如：被测流体具有很多杂质或具有腐蚀性,或者是要保证被测流体的纯净无污染,这使得流量计的应用范围受到了约束。为了解决这一实际问题,近些年兴起了对超声波流量计的设计。超声波流量计的最大特点在于不需要接触被测流体就可进行流量的测量工作,因此可以被广泛应用于各种场合。由于其独特的优势,该技术具有广阔的应用前景。本文主要是针对小型渠道中的流量测量,就是指那些水流宽度小于5米,流速不是很快的渠道。比如说农业灌溉水渠、工业废水排放渠、以及饮料制作中的果汁流量检测等等。为了便于仪器的安装和测量,选用了超声波流量计。根据设计要求,查阅了大量关于超声波流量计的国内外资料,对超声波流量计的工作原理和研究现状进行了分析总结。在对几种常用测量方法的简要说明基础之上,提出了对超声波流量计设计的总体思路：确定采用以FPGA(现场可编程门阵列)芯片作为数据处理核心,以AVR单片机作为控制核心,以多普勒效应为测流方法的超声波流量计本论文完成了系统的硬件电路以及相应软件部分的设计。其中,硬件部分选用了AVR的Atmega128芯片和FPGA的FLEX10K20芯片,设计了模拟部分的超声波发射电路和超声波接收调理电路(包括了信号的接收、放大、滤波、混频、采样等处理),数字部分的FPGA、FIFO数据缓存和AVR后端服务控制电路(包括数据的存储、数据的显示以及数据的通信等部分)。软件部分完成了主程序的编写,以及各个模块子程序的编写与调试。通过上述对硬件和软件两个部分的设计,实现了整个系统的完整性。在进行电路设计的同时,使用Multisim10软件对硬件电路进行了软件仿真,验证硬件电路是否能够满足设计要求；软件程序的编译环境选择了AVR Studio和QuartusⅡ,对程序进行编译并验证程序的可行性。最后,使用Prote199SE画出系统的原理图,并对系统进行印制电路板的设计实验结果证明了,整个系统能够完成超声波信号的发射、采集和处理,能够达到预期的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声波流量计概述
• 1.2 超声波流量计的发展历史和现状
• 1.2.1 超声波流量计的发展历史
• 1.2.2 超声波流量计的现状
• 1.3 超声波流量计的特点和优点
• 1.4 超声波流量计的分类
• 1.5 课题研究的现实意义
• 1.6 本论文的主要研究工作
• 第二章 多普勒超声波流量计的检测原理
• 2.1 多普勒效应的原理
• 2.1.1 声源运动,观察者静止
• 2.1.2 观察者运动,声源静止
• 2.2 多普勒超声波流量计的测流原理
• 2.2.1 多普勒效应法测流的原理
• 2.2.2 多普勒法测流的流量方程
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统电路的硬件设计与实现
• 3.1 系统硬件设计的总体方案
• 3.2 超声波发射电路部分
• 3.2.1 超声波传感器的选型
• 3.2.2 超声波的发射驱动电路
• 3.3 超声波接收调理电路
• 3.3.1 前端放大电路
• 3.3.2 带通滤波电路
• 3.3.3 混频处理
• 3.3.4 低通滤波和后端放大电路
• 3.4 数据处理电路部分
• 3.4.1 FPGA概述
• 3.4.2 FPGA芯片在系统中的应用
• 3.4.3 FPGA芯片的设计流程
• 3.4.4 FPGA芯片的选型
• 3.4.5 FPGA芯片的结构和工作原理
• 3.4.6 高速缓存FIFO器件
• 3.5 控制电路部分
• 3.5.1 单片机AVR的选型
• 3.5.2 AVR与FPGA的通信连接
• 3.5.3 数据存储模块
• 3.5.4 LCD显示模块
• 3.5.5 串口输出模块
• 3.6 印制电路板中的抗干扰措施
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统的软件设计
• 4.1 软件设计的总体方案
• 4.2 系统主程序的设计
• 4.3 超声波发射子程序
• 4.4 数据处理的设计
• 4.5 数据显示子程序
• 4.6 数据存储子程序
• 4.6.1 I2C总线简介
• 4.6.2 数据存储子程序流程图
• 4.7 串行通信服务子程序
• 4.7.1 串行通信的概述
• 4.7.2 串行通信中断服务子程序
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统的开发与调试
• 5.1 系统的开发
• 5.1.1 AVR开发平台
• 5.1.2 FPGA开发平台
• 5.2 系统的调试
• 5.2.1 系统硬件的调试
• 5.2.2 系统软件的调试
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文