[发明专利]高精度低功耗超声流量计

权利要求书

1.高精度低功耗超声流量计，主要由单片机、时间测量芯片、双驱动电路、上游发射电路、下游发射电路、上游超声探头、下游超声探头、上游接收电路、下游接收电路、信号调理电路、时钟芯片、键盘、液晶屏、RS485通信模块组成。单片机内部至少含有1个12位A/D转换器、1个12位D/A转换器、1个SPI串行口、1个I2C串行口和1个UART串行口。单片机I2C接口与时钟芯片相应接口相连；单片机相应接口与键盘相连；单片机相应接口与液晶屏相应接口相连；单片机UART接口与RS485通信模块相应接口相连；单片机SPI接口及中断输入端口与时间测量芯片SPI接口及中断输出端口相连；时间测量芯片发射脉冲接口与双驱动电路输入接口相连；双驱动电路输出接口分别与上游发射电路输入端和下游发射电路输入端相连；上游发射电路输出端与上游超声探头输入端及上游接收电路输入端相连；下游发射电路输出端与下游超声探头输入端及下游接收电路输入端相连；上游接收电路输出端和下游接收电路输出端分别与信号调理电路相应输入端相连；信号调理电路相应输入输出端口分别与时间测量芯片及单片机相应端口相连。

2.根据权利要求1所述高精度低功耗超声流量计，其特征是：信号调理电路由模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2、信号缓冲器和峰值检波器组成。模拟开关具有3组独立的1×2双向开关。模拟开关输入端A1、B1与上游接收电路输出端相连，输入端A2、B2与下游接收电路输出端相连。模拟开关输出端A3、B3与放大滤波1的差动输入端相连。模拟开关输入端C1与信号缓冲器输出端相连，输出端C2、C3分别与时间测量芯片的上游和下游超声回波接收器输入端相连。模拟开关受控端D与单片机相应I/O端口相连。放大滤波1输出端与程控放大器输入端相连；程控放大器输出端与放大滤波2输入端相连；放大滤波2输出端与信号缓冲器及峰值检波器输入端相连；峰值检波器输出端与单片机内A/D输入端相连；程控放大器受控端与单片机内D/A输出端相连。

3.根据权利要求1所述高精度低功耗超声流量计，其特征是：峰值检波器由检波二极管、保持电容、电子开关和同相跟随器组成。检波二极管的正极与放大滤波2的输出端相连；检波二极管的负极与保持电容的一个端点、电子开关的一个端点及同相跟随器的输入端相连；保持电容与电子开关并联；电子开关的受控端与单片机相应I/O端口相连；同相跟随器输出端与单片机内部A/D的输入端相连。

4.根据权利要求1所述高精度低功耗超声流量计，其特征是：系统软硬件工作过程如下：

⑴单片机复位，对系统进行初始化；用户通过键盘和液晶屏输入必要的配置参数，然后按确定键，系统进入测量状态。

⑵单片机通过SPI总线向时间测量芯片发送开始测量指令，同时控制模拟开关接通下游超声探头通道，以便接收上游超声探头发射的超声波。

⑶时间测量芯片收到测量指令后启动内部的上游脉冲发生器，经上游发射电路驱动上游超声探头发射超声波，同时其内部的计时器开始计时。

⑷下游超声探头收到的回波信号经过模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2后分为两路。一路通过信号缓冲器和模拟开关送入时间测量芯片的下游超声回波接收器。

⑸时间测量芯片在收到上游回波信号后即关闭内部计时器，并将上游超声波传播时间存入寄存器，同时通过中断口向单片机发送中断信号。

⑹单片机收到中断信号后，即通过SPI接口从时间测量芯片读取上游通道的超声波传播时间，然后控制模拟开关接通上游超声探头通道，以便接收下游超声探头发射的超声波。

⑺时间测量芯片在发送中断信号后延迟一段时间，然后启动内部的下游脉冲发生器，经下游发射电路驱动下游超声探头发射超声波，同时其内部的计时器开始计时。

⑻上游超声探头收到的回波信号经过模拟开关、放大滤波1、程控放大器、放大滤波2后分为两路。一路通过信号缓冲器和模拟开关送入时间测量芯片的上游超声回波接收器。

⑼时间测量芯片在收到下游回波信号后即关闭内部计时器，并将下游超声波传播时间存入寄存器，同时通过中断口向单片机发送中断信号。

⑽单片机收到中断信号后，即通过SPI接口从时间测量芯片读取下游通道的超声波传播时间。单片机根据读取的上下游超声波传播时间计算、显示、保存流速流量数据.。然后重复步骤1-10.

⑾上位机通过RS485通信接口发送读命令，本发明在收到读命令后产生中断信号，然后向上位机发送测量数据。

⑿本发明通过峰值检波器和A/D转换器，由软件控制程控放大器的增益，在每次测量时都通过A/D采样超声回波的峰值，并通过D/A调整程控放大器的增益，确保每次上下游测量的超声回波信号峰值相同，使得时间测量芯片对上下游时间测量的采样基准点相同，提高测量精度。