摘要：基于超声波与温度之间的关系，使用TDC-GP21芯片测量信号的飞行时间差，并通过数据处理得到超声波传播时间的整数周期值，从而得到高精度的温度测量结果。设计了温度监测系统的硬件电路，包括超声波驱动电路、TDC-GP21时间测量电路、单片机系统以及外围电路和电源电路等。同时，完成了温度监测系统的主程序、标定程序、超声波驱动程序、TDC-GP21时间测量程序以及数据采集和处理程序等单片机软件设计。经过整机调试、实验测试和误差分析，实验结果表明所设计的超声波温度监测系统能够满足实际测量要求。

关键词：温度检测；超声波；飞行时间法；TDC-GP21

Abstract Based on the relationship between ultrasound and temperature，the TDC-GP21 chip is used to measure the flight time difference of the signal，and the integer period value of ultrasound propagation time is obtained through data processing，thereby obtaining high-precision temperature measurement results.The hardware circuit of the temperature monitoring system was designed，including ultrasonic drive circuit，TDC-GP21 time measurement circuit，microcontroller system，peripheral circuit，and power circuit.At the same time，the main program，calibration program，ultrasonic driver program，TDC-GP21 time measurement program，and data acquisition and processing program of the temperature monitoring system have been completed.After overall debugging，experimental testing，and error analysis，the experimental results show that the designed ultrasonic temperature monitoring system can meet the actual measurement requirements.

Key words temperature detection；ultrasonic；time-of-flight；TDC-GP21

汽轮机在电力系统中扮演重要角色，将蒸汽热能转化为叶片的机械能，并广泛用于火力发电系统。蒸汽经过喷嘴和叶片，在汽轮机内实现能量转换，驱动转子旋转。实际运行中，主蒸汽温度对机组安全性的影响更为严重，比主蒸汽压力变化更为敏感。主蒸汽温度升高会导致调节级叶片超负荷工作，而温度降低可能增加末级叶片的蒸汽湿度，加速腐蚀并影响叶片寿命。因此，准确测量汽轮机内水蒸气温度至关重要。当蒸汽温度达到警戒值时，测量装置会立即发出报警信息，以便采取紧急处理措施，预防事故并确保电力供应的正常运行。

1 温度监测系统总体方案设计

本研究利用声学测温模型间接获取被测对象的温度信息，即通过超声波的声速和温度之间的函数关系进行测量。为了确保汽轮机的安全运行，我们设计了一种基于超声波的汽轮机水蒸气温度监测系统，满足汽轮机运行手册对蒸汽参数异常的要求。该监测系统要求传感器对汽轮机水蒸气温度变化敏感，并将检测到的温度信息转换成物理信号输出。我们采用了PIC单片机作为处理核心，利用时间测量模块测量超声波在介质中的传播时间，通过单片机进行温度计算，最后在数码管上显示结果。检测装置包含超声波驱动电路、超声波接收电路、单片机系统、测量腔体、TDC时间测量电路和混频检相模块。汽轮机水蒸气温度测量系统总体设计方案如图1所示。当被测温度值超过警示阈值时，将触发警报。

为了排除外界干扰，温度检测系统采用了双侧放置超声波发射和接收探头的测量腔体，并确保与外界环境隔离。通过测量特定声程下超声波信号传播的时间，可以准确测量水蒸气的温度。单片机利用输出脉冲宽度调制（PWM）波形来驱动超声波发射探头。时间测量模块由时间数字转换器（TDC）电路和混频检相模块组成。TDC电路用于测量时间差的整数周期部分，混频检相模块则测量时间差的小数周期部分。时间测量模块通过SPI接口将测量数据传输给单片机，单片机对数据进行处理，实现对水蒸气温度的精确测量。

2 硬件电路设计

2.1 硬件设计总体方案

该温度监测系统利用单片机PIC16F887作为微处理器，包含电源电路、声光报警电路、显示电路、超声波驱动电路、超声波接收电路、红外接收电路和时间测量模块。时间测量模块用于测量超声波传播时间并将其转换为相应的温度数值。具体的硬件电路系统结构如图2所示。

水蒸气温度监测系统通过单片机产生PWM方波脉冲驱动信号来激励超声波发射探头，利用测量超声波的传播时间来实现温度测量。时间测量模块由时间数字转换芯片TDC-GP21电路和混频检相模块组成，用于测量超声波驱动信号和接收信号的时延值，以获取信号在测量腔体中的传播时间。超声波飞行时间由TDC-GP21电路测量时间差的整数周期部分和混频检相模块测量时间差的分数周期部分组成。红外接收电路设定温度警戒值，单片机处理时间信号以获得温度信息。当温度超过预设警戒值时，声光报警电路触发警示，并通过数码管显示电路显示温度值。

2.2 超声波测温电路设计

本设计采用型号为40C16TR-2的紧凑结构一体化超声波换能器，工作频率为40kHz。该换能器具有轻便重量、高灵敏度和声压级等优点。为确保超声波探头正常运行，需输入与压电晶体振动频率匹配的电信号进行激励。采用单片机的CCP2模块以PWM模式生成40kHz频率、50%占空比的脉冲信号，并通过单片机的RC1端口输出来驱动传感器工作。具体的超声波测温驱动电路如图3所示。

超声波传播时会出现衰减，若单片机输出的方波脉冲能力不足，则无法检测到超声波回波信号，无法准确计算超声波传播时间。为满足实际测量需求，需要放大驱动信号。采用两级MOS管驱动电路可放大单片机输出的PWM方波脉冲信号，产生0-12V电压范围内的高能量、相位不变的方波信号，确保测量系统正常运行。

探头接收到40kHz的PWM信号后会发射超声波，经过测量腔体后，探头接收到的回波信号幅值较小。为提高测量准确性并降低对时间测量电路的干扰，需对回波信号进行放大处理。具体的超声波测温接收电路如图4所示。

超声波接收电路通常由两个部分组成。首先是跟随器电路，用于处理超声波探头接收到的信号，包括阻抗匹配、隔离和缓冲处理。我们选择了具备低噪声、宽带宽和轨对轨输入/输出特性的OP284运放作为电压跟随器，以满足阻抗匹配需求。该运放适用于低电源电压应用。第二部分是放大电路，主要用于放大回波信号。为确保测量电路可靠性和精确的飞行时间测量，我们采用了OP37运放。该运放具有高压摆率（达到17V/μs）和63MHz的增益带宽积，同时具有低失调电压、更高的速度和更低的噪声水平，非常适合本设计需求。

2.3 TDC-GP21时间测量电路设计

TDC-GP21时间测量电路包括TDC-GP21芯片和相关外围电路。它利用芯片内部的延迟特性进行准确的时间测量。测量开始时，通过向芯片的Start引脚发送触发脉冲，并在测量结束时通过Stop引脚接收脉冲信号。TDC-GP21芯片还集成了模拟电压比较器，可以直接输入处理后的电压信号进行测量。系统运行时，PIC单片机的PWM模块生成驱动脉冲，激励超声波发射探头，并将驱动脉冲发送至TDC-GP21芯片的Start引脚以触发测量。一旦超声波接收电路成功接收到回波信号，通过向TDC-GP21芯片的Stop引脚发送信号表示测量结束，芯片会自动进行时间测量。

TDC-GP21芯片还集成了模拟电路输入部分，用于接收超声波信号。输入的超声波信号通常为几百毫伏的正弦波振荡信号。模拟比较器的触发电压可以由单片机设置，而芯片本身能够自动校正比较器的零点漂移，以确保高质量的时间测量。通过SPI接口，单片机可以与TDC-GP21芯片进行数据交互，全面控制寄存器配置和测量方式选择。测量得到的超声波传播时间传回单片机，通过计算即可实现水蒸气温度的测量。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

主程序是检测系统正常运行的核心。本软件使用C语言在MPLAB平台开发，将系统任务划分为多个功能模块供主程序调用。首先进行单片机系统的初始化，包括定时器、SPI通信接口、IO口等功能模块的设置，只需执行一次。初始化完成后，软件生成超声波驱动PWM脉冲信号，并控制TDC-GP21时间测量芯片进行测量。当超声波接收探头接收到回波信号后，相位差检测电路开始工作。在接收到红外遥控信号时，对安全阈值进行标定。如果未收到红外信号，则直接处理接收到的数据。单片机通过计算将超声波飞行时间转换为具体温度值并显示。系统主程序的流程图如图6所示。

3.2 超声波测温程序设计

本设计使用40kHz频率的超声波传感器和交变电压信号配合工作。采用PIC单片机的CCP模块的PWM模式生成脉冲驱动信号，其中CCP2模块输出PWM信号。通过配置寄存器可以调整PWM信号的周期和占空比。如图7所示为PWM脉冲产生流程。

使用定时器Time0控制PWM，每隔0.25秒输出一组包含20个40kHz频率的脉冲信号。操作步骤：初始化定时器和寄存器，将CCP2设置为脉宽调制模式，保存方波周期值到周期寄存器PR2，生成占空比50%、频率40kHz的方波信号。设置Time0定时器的定时时间为脉冲周期，利用标志位记录执行次数，确保产生20个脉冲信号。关闭PWM脉冲信号，利用单片机内部延时程序进行延时操作。当间隔达到0.25秒后，重新开启PWM功能并重置标志位，循环执行以上过程。通过Time0定时器实现间隔测量脉冲的输出。

通过PIC单片机的CCP模块以脉宽调制方式生成超声波驱动脉冲，利用定时器中断来控制脉冲个数，提高执行效率。

3.3 TDC-GP21时间测量程序设计

本超声波温度检测仪使用TDC-GP21芯片进行传播时间整数周期部分的测量，测量范围在2到4ms之间。测量前需要配置TDC-GP21芯片内部寄存器。测量开始时，当TDC-GP21芯片的Start引脚收到第一个触发脉冲，测量即开始。测量方式2是通过测量触发信号与相邻参考时钟信号的时间差进行测量。

检测仪正常工作时，单片机发出驱动脉冲激励超声波发射探头进行测量，通过将驱动脉冲信号发送到TDC-GP21芯片的Start引脚触发测量。TDC-GP21芯片开始执行时间测量，未收到Stop信号前，内部粗值计数器记录经过的参考时钟周期数。当超声波接收信号接收到回波信号后，经过接收电路处理并发送至芯片的Stop引脚，结束时间测量。测量停止后，数据保存在芯片内部寄存器中。单片机可以发送代码10110ADR来读取测量数据，读取前需检查寄存器状态以确保数据准确性。TDC-GP21时间测量的程序流程如图8所示。

4 结论

本文使用PIC系列单片机作为处理核心，设计了超声波驱动、超声波接收和TDC-GP21时间测量等功能，利用飞行时间法测量汽轮机水蒸气温度。采用MPLAB开发环境和C语言进行程序设计，实现了主程序、超声波驱动程序、TDC-GP21时间测量程序和数据采集处理程序的开发，以实现更好的硬件电路驱动和测量功能。

参考文献：

[1]高福生，刘娜，杨鸣.温度计的特性与选择[J].轻工标准与质量，2017（01）：62-63.

[2]王学水，张冉冉.几种接触式测温方法的比较[J].电子世界，2017（23）：19-20.

[3]曹旸.工业热电阻温度计的选型探索[J].仪器仪表用户，2021，28（02）：100-103.

[4]崔海佟，陈炜，杨新圆，等.多路热电偶测温电路设计[J].中阿科技论坛（中英文），2021（03）：100-102.

[5]张文静.膨胀式温度计在检定使用中注意事项浅析[J].山东工业技术，2018（10）：245.

[6]付蒙，张海洲，殷建锋，等.高速推进系统温度测量技术发展现状[J].推进技术，2020，41（09）：2130-2142.

[7]张虎，李世伟，陈应航，等.非接触高温测量技术发展与现状[J].宇航计测技术，2012，32（05）：68-71.

[8]杜岳涛.非理想条件复合材料光谱发射率多光谱测温优化方法研究[J].合成材料老化与应用，2021，50（04）：179-181.

[9]严兵，李建彬，孙红胜，等.动态高温温场测量装置研究[J].红外与激光工程，2014，43（04）：1312-1315.

[10]张维君，李树良.工业炉温度场声学测量系统[J].微计算机应用，2004（03）：343-347.