超聲波明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì).docVIP

第I頁超聲波明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)介紹了一種基于W77E58單片機(jī)的超聲波明渠流量計(jì)。該流量計(jì)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離,進(jìn)而得到流量。本設(shè)計(jì)概述了超聲波明渠流量計(jì)的發(fā)展及基本原理，介紹超聲傳感器的原理及特性。并且在介紹超聲波測明渠流量系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。針對系統(tǒng)的發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證。發(fā)射電路采用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩回路，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，使之發(fā)射出40kHz超聲波信號(hào)。接收電路采用具有帶通濾波的三級放大電路，電壓比較，檢波后經(jīng)高速光耦6N137返回單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測環(huán)境溫度以補(bǔ)償溫度引起的聲速變化，保證了檢測精度。選用MAX7219驅(qū)動(dòng)LED將測得的流量實(shí)時(shí)的顯示出來。完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。該流量計(jì)具有測量精度高、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。關(guān)鍵字:超聲波；明渠流量計(jì)；W77E58；MAX7219；溫度補(bǔ)償?shù)贗I頁ThedesignoftheultrasonicOpenChannelflowmeterAbstractThisdesignintroducestheultrasonicOpenChannelflowmeterasacoreofW77E58.Theflowmetercouldmeasurecertaindistancewiththereflectedwaveonconditioninwhichthespeedoftransmittingwaveisfixed,thispapersummarizesthedevelopmentandfundamentalprincipleofultrasonicOpenChanneflowmeter.Thenitpresentsthetheoryandcharactersofultrasonicsensor.MoreoveultrasonicOpenChanneflowmeter,itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicflowmeter.Thetransmitting,receiver,detection,displayschemeofthisultrasonicOpenChanneflowmetersystemisbroughtout.Thetransmittingcircuituses555timertocompriseoscillatorcircuitanddrivestheultrasonictransducerCSB40T,makeitproduced40KHzofultrasonic.Receivingcircuitusesamplifierforthreetimes,thesingalthroughpreamplifier,voltagecomparison,afterthehigh-speeddetection,throughopticalcoupler6N137tothemicroprocessorfordataprocessing.Inordertofulfillpracticabilityofthesystem,weuseultrasonictransduceroftransmittingandreceiving.Weusetemperaturesensortocompensatethespeedofvoicecausedbytemperature.WecanmakesuretheInspectionofprecision.histhesisusesMAX7219todriveLED,sothatitcandisplaythevalueoftheflow.Wecompletethesoftwaredesignofsystem.Thisflowmeterhasahighdetection-precision,credibilityandlowcost.keywords:ultrasonic；TheOpenChannelflowmeter；W77E58；MAX7219；temperaturecompensation第III頁目錄摘要.IAbstract.II1緒論.11.1國內(nèi)外背景.11.2選題依據(jù)及研究意義.21.3本設(shè)計(jì)的主要工作.31.3.1設(shè)計(jì)要求.31.3.2本設(shè)計(jì)的主要工作.32超聲波明渠流量計(jì)技術(shù)概述.42.1超聲波的基本性質(zhì).42.2超聲波傳感器的原理及應(yīng)用.52.3流量測量.72.3.1流量的定義.72.3.2流量測量方法.82.4明渠流量測量.92.4.1明渠的定義.92.4.2明渠流量計(jì)類型.102.5超聲波明渠流量測量原理.123系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).133.1系統(tǒng)硬件總體框圖.133.2超聲波發(fā)射電路.133.3超聲波接收電路.143.4溫度傳感器.183.4.1DS18B20簡介.183.4.2溫度補(bǔ)償.183.5顯示電路.19第IV頁4軟件設(shè)計(jì).234.1超聲波明渠流量計(jì)的軟件規(guī)劃.234.2W77E58單片機(jī).244.3DS18B20的接口程序設(shè)計(jì).254.4顯示程序設(shè)計(jì).254.4.1MAX7219的初始化.264.4.2字寫MAX7219程序.264.4.3顯示子程序.264.5距離計(jì)算及其程序?qū)崿F(xiàn).264.5.1距離計(jì)算.264.5.2數(shù)制轉(zhuǎn)換程序.274.6主程序設(shè)計(jì).27總結(jié)與展望.31致謝.32參考文獻(xiàn).33附錄A（程序）.34第1頁1緒論1.1國內(nèi)外背景我國開展近代流量測量技術(shù)方面的工作較晚，早期所需流量計(jì)均從國外進(jìn)口，直到20世紀(jì)30年代中期才出現(xiàn)光華精密機(jī)械廠所制造的家用水表，20世紀(jì)50年代初有了新成儀表廠所開發(fā)的文丘里管差壓流量計(jì)。20世紀(jì)60年代開始有了渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)等本國產(chǎn)品?，F(xiàn)在已形成一個(gè)相當(dāng)規(guī)模從事流量測量技術(shù)和儀表研究開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)。從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過230家，向中國儀器儀表協(xié)會(huì)流量儀表專業(yè)協(xié)會(huì)注冊登記的單位也有50余家，它們均是有相當(dāng)規(guī)?；蛴幸欢ㄌ厣钠髽I(yè)。我國1990年流量儀表產(chǎn)量（不包括家用燃?xì)獗砗图矣盟恚┕烙?jì)超過25萬臺(tái)。流量計(jì)在國外的發(fā)展較快，幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家均有相當(dāng)數(shù)量的流量儀表生產(chǎn)廠家，有專業(yè)生產(chǎn)多品種的流量儀表的綜合大型企業(yè)，也有專業(yè)生產(chǎn)品種單一性能獨(dú)特的流量儀表小型企業(yè)，數(shù)量上以后者居多。目前美國有200余家，英國、德國和日本也均有50家以上，我國有250家以上。解決不同條件下各種不同被測介質(zhì)的流量測量，至今已經(jīng)發(fā)展了種類繁多的流量儀表，一般可分為如下10大類：差壓式流量計(jì)；浮子式流量計(jì)；容積式流量計(jì)；葉（渦）輪式流量計(jì)；電磁流量計(jì)；流體振蕩式（包括渦街式）流量計(jì)；超聲流量計(jì)；熱式流量計(jì)；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)；明渠流量計(jì)。近年來，隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)流量測量儀表如差壓式、浮子式、容積式流量計(jì)在市場上所占據(jù)的份額已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢，而新穎的流量計(jì)如電磁式、渦輪式、超聲波式流量測量儀所占比重正逐年增加。超聲波流量計(jì)是20世紀(jì)70年代隨著IC（集成電路）技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實(shí)際應(yīng)用的一種非接觸式儀表，相對于傳統(tǒng)的流量計(jì)而言，它具有下列主要特點(diǎn)：（1）解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著管徑的增加會(huì)帶來制造和運(yùn)輸上的困難，不少流量計(jì)只適用于圓形管道，而且造價(jià)提高，能耗加大，安裝不便，這些問題，超聲波流量計(jì)都可以避免，這樣就提高了流量測量儀表的性能價(jià)格比。（2）對介質(zhì)幾乎無要求。超聲波流量計(jì)不僅可以測量液體、氣體，甚至對雙相介第2頁質(zhì)（主要是應(yīng)用多普勒法）的流體流量也可以測量，由于可制成非接觸式的測量儀表，所以不破壞流體的流場，沒有壓力損失，并且可以解決其它類型流量計(jì)難以測量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性的流量問題。（3）超聲波流量計(jì)的流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響。（4）超聲波流量計(jì)的測量范圍度寬，一般可達(dá)到20：1。1.2選題依據(jù)及研究意義隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對流體流量和總量的計(jì)量及測試提出了越來越多、越來越高的要求。在注重節(jié)省能源，提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的今天，流量計(jì)量與測試的重要性就更加突出并為越來越多的人所認(rèn)識(shí)。特別是隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對流量測量的要求越來越高，對流量測量技術(shù)和儀表的研究和開發(fā)也不斷深入，流量測量方法和儀表的種類也越來越多。尤其是在近些年來，流量測量技術(shù)和儀表已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。流量儀表一般可分為如下十大類:壓差式流量計(jì)、浮子式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、葉(渦)輪式流量計(jì)、電磁式流量計(jì)、流體振蕩式(包括渦街式)流量計(jì)、超聲流量計(jì)、熱式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和明渠(或非滿管)用流量計(jì)1。超聲波流量計(jì)是20世紀(jì)70年代隨著IC技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實(shí)際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快?；诓煌恚m用于不同場合的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為流量測量工作的首選工具2。目前應(yīng)用較多的超聲波流量計(jì)測量方法主要有時(shí)差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，其中時(shí)差法應(yīng)用最為普遍。超聲波流量計(jì)的時(shí)差測量法是基于超聲波在具有流速的媒質(zhì)里傳播時(shí)，其傳播時(shí)間(速率)會(huì)隨著媒質(zhì)流速的變化而變化的原理來實(shí)現(xiàn)媒質(zhì)流速測量的方法3。時(shí)差法的關(guān)鍵是對于時(shí)間測量的高精度，近幾年來，隨著集成電路的高速發(fā)展，高速時(shí)間計(jì)數(shù)處理芯片不斷出現(xiàn)，使得幾十皮秒的測量精度變得可能，這也對時(shí)差法超聲波流量計(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動(dòng)。第3頁1.3本設(shè)計(jì)的主要工作1.3.1設(shè)計(jì)要求（1）測量距離范圍要求為m6；（2）精度要求優(yōu)于1%；（3）進(jìn)行溫度補(bǔ)償；（4）顯