论文总字数：24153字

摘 要

随着现代工业技术的不断进步，不同领域对流量检测的要求越来越严格，超声波流量检测系统因其非接触式测量、对管径尺寸影响较小、测量精度高等优点，而被广泛应用于化工、天然气、供水、电力、石油及其他产业的流量测量中。目前，国内外对于流量检测技术与流量检测仪表的研究已经取得了较大的进展。但对于对于小管径的超声波流量计，其测量精度和稳定性需要进一步提高。

本课题选用时差法测量原理、意法半导体STM32F407微处理器、ACAM公司的TDC-GP22高精度时间测量芯片，设计了一款单声道时差法超声波流量检测系统。提高了顺流和逆流时间测量的效率和精度,简化了硬件电路的设计，实现了低功耗。

其次，详细介绍了时差法测量流量的计算算法，并提出了一种优化算法，避免了流速对测量精度的影响。同时，分析了硬件设计和PCB设计中的干扰因素，并提出了在实际应用中消除干扰的措施。完成了软硬件设计，并在硬件设计中进行了抗干扰设计，进一步提高了超声波流量检测系统的测量精度和稳定性。

关键词：时差法 TDC-GP22 STM32F407 超声波流量检测系统

Research on flow detection system based on ultrasonic detection

Abstract

With the continuous progress of modern industrial technology, the requirements for flow detection in different fields are becoming more and more strict. Ultrasonic flow detection systems are widely used because of their advantages of non-contact measurement, small impact on pipe diameter size, and high measurement accuracy. Flow measurement in chemical industry, natural gas, water supply, electricity, petroleum and other industries. At present, domestic and foreign researches on flow detection technology and flow detection instruments have made great progress. But for ultrasonic flowmeters with small diameters, the measurement accuracy and stability need to be further improved.

This subject selects the time difference method measurement principle, STMicroelectronics STM32F407 microprocessor, ACAM's TDC-GP22 high-precision time measurement chip, and designs a monophonic time difference method ultrasonic flow detection system. The efficiency and accuracy of forward and reverse current time measurement are improved, the design of the hardware circuit is simplified, and low power consumption is achieved.

Secondly, the calculation algorithm of the flow measurement by the time difference method is introduced in detail, and an optimization algorithm is proposed to avoid the influence of the flow velocity on the measurement accuracy. At the same time, the interference factors in hardware design and PCB design are analyzed, and measures to eliminate interference in practical applications are proposed. The hardware and software design is completed, and the anti-interference design is carried out in the hardware design, which further improves the measurement accuracy and stability of the ultrasonic flow detection system.

Keywords: Time difference method; TDC-GP22；STM32F407；Ultrasonic flow detection system

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状与发展趋势 1

1.2.1 国外发展现状 1

1.2.2 国内发展现状 2

1.2.3 超声波流量计发展趋势 3

1.3 流量计的分类 4

1.4 本课题主要研究内容和目的 5

1.4.1 主要研究内容 5

1.4.2 “复杂工程问题”于非技术因素 5

第二章 超声波流量检测系统理论分析 7

2.1 超声波测量原理分析 7

2.2 时差法测量算法的优化 9

2.3 超声波换能器 9

2.3.1 简介及分类 9

2.3.2 工作原理 10

2.3.3 换能器的选型 10

2.4 系统总体设计方案 12

2.4.1 时间计量单元的选型 12

2.4.2 总体设计方案 13

第三章 超声波流量检测系统硬件设计 14

3.1 单片机最小系统电路 14

3.1.1 单片机的选型 14

3.1.2 单片机最小系统电路 14

3.2 时间测量模块电路 17

3.3 电源电路 20

3.4 RS485通信电路 20

3.5液晶显示电路 21

3.6 存储模块电路与JTAG接口电路 22

3.6.1 SD卡连接器电路 22

3.6.2 JTAG仿真器接口电路 22

3.7 硬件设计及PCB设计干扰因素 23

3.7.1 干扰因素来源分析 23

3.7.2 抗干扰措施 23

第四章 超声波流量检测系统软件设计 25

4.1 软件系统总体设计 25

4.2 主程序设计 25

4.3时间测量程序设计 26

4.4 流量计算程序设计 27

4.5 LCD液晶显示程序 28

第五章 系统整体分析 29

5.1 系统整体分析 29

5.2 误差分析 32

第六章 总结与展望 34

参考文献 35

致谢 37

附录 38

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

检测计量技术是工业生产当中一项非常重要的技术基础，其中，就包括对各种流体介质的流量检测技术，其在国防建设、国家经济、科学研究中往往占据着举足轻重的地位^[1]。近年来，国务院提出了《中国制造2025》行动纲领及大力发展创新驱动发展战略，为使我国实现制造业强国的战略目标，发展尖端科技技术就成为了必然的选择^[2]。想要实现这一目标，就需要提升产品的质量和精度，流量检测作为产品质量和精度提高的前提之一，具有举足轻重的作用。因此，在市场中对各种高精度的流体流量检测的需求也越来越大，流量测量仪表的需求量也就不断扩大。为保证检测精度同时能大量应用于工业生产，超声波流量计凭借它具有非接触测量、低压力损失、受管道尺寸的影响较小的优点，在各种类型的流量中脱颖而出，被广泛使用在化工、天然气、供水、电力、石油及其他产业的流量测量中，成为使用范围最广泛的流量计之一 ^[3]。

目前，国内外对于小管径的超声波流量计有必要进行更多的研究，未能广泛应用，测量精度和稳定性需要进一步提高。因此，本课题对于基于超声波检测的流量检测系统的研究有重要的现实意义。

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.2.1 国外发展现状

1928年,以为名为O.Rutten的德国科学家开始应用超声波测量的时差法原理对流速进行测量^[4]。虽然因为高精度时间测量的技术的不够成熟，使得时间差测量的精度达不到ns的级别，乃至us量级也没有达到，但是个方法的提出也正式拉开了对超声波流量计研究的序幕。

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