基于MSP430F447的超声波流量计的设计及实现

　　1 引 言

　　作为流体测量仪器，流量计已经广泛地应用在石油、化工、水电等部门，成为流量检测不可或缺的设备。随着测量技术的发展及测量对象的复杂多样化，传统的接触式流量计由于自身局限已不适合生产应用的要求。超声波流量测量是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的新的测量技术[1]。超声波流量计作为一种新型的非接触式流量计，不影响流体的流动状态，计量准确，分辨率高。该流量计安装方便，功能齐全，调试简单，便于统一管理，稳定性好，使用方便。

　　2 超声波流量计的基本工作原理

　　超声波在流体中的传播速度与流体的流速有关，对于固定坐标系而言，顺流超声波的传播速度大于逆流的传播速度[2]。时差式超声波流量计采用两个超声波探头来进行信号的发送和接收，通过测量沿顺、逆流方向传播时的时间差计算流体的速度[3]，因此，测量精确的时间差成为流速测量的关键。

　　图 1 中两个超声波探头分别安装在流体管的两侧，相距一定距离，管的内径为 D ，超声波在流体中传播的距离为 L，流体流速为V ，超声波在静止介质中传播速度为c ，超声波顺流传播时间为st ，逆流传播时间为nt ，超声波的传播方向与流体的夹角为θ ，顺流速度 cossV = c +V θ，逆流速度nV = c-可求出流体的流速。

　　由于超声波在流体中的传播速度随着流体温度的变化而变化，为了在不同温度环境下都能得到较精确的测量结果，需要对流速进行补偿[4]，补偿系数为 K，即

　　3 硬件系统构成

　　硬件系统采用 16 位单片机 MSP430F447 为核心控制器件，控制对流速测量的采样、数据处理、存储、显示及通信等等。MSP430F4xx 是基于闪存/ROM 型 MCU，工作范围从 1.8V 到 3.6V，具有富的 I/O 接口、高达 60kB 的闪存/ROM 及 8MIPS(百万条指令每秒)的高性能，内置 LCD 驱动模块，具有速度高功耗低等优点。TDC_GP2 为时间间隔及温度测量芯片，具有高速脉冲发生器、停止信号使能、温度测量和时钟控制等功能，可以通过四线的 SPI 作为外部设备和单片机相连[5]。硬件系统包括电源电路、流量测量电路、数据处理、LCD 显示、通信等部分，如图 2 所示。

　　电源模块由电源转换芯片和滤波等电路组成，为系统提供稳定的 3.3V 直流电源，确保系统可靠工作。

　　3.1 测量部分

　　测量部分由 TDC_GP2、超声波探头、发射控制电路、温度传感器、超声波信号处理电路等组成。测量过程是：TDC_GP2 向两个超声波探头发射高速脉冲驱动信号，超声波探头起振，并准备接收超声波信号，接收到的超声波信号经过放大滤波后滤除高频噪声，得到正弦的超声波信号，信号经过过零比较整形后送入 TDC_GP2 的两个 stop 通道，在两个通道分别接收到信号的跳变后，测出两个跳变之间的时间间隔。温度传感器实时测量流体的温度，将温度传感器信号送入 TDC_GP2，由 TDC_GP2 的温度测量模块进行处理。