超声波明渠流量计的设计.doc

第I页超声波明渠流量计的设计摘要本设计介绍了一种基于W77E58单片机的超声波明渠流量计。该流量计以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离,进而得到流量。本设计概述了超声波明渠流量计的发展及基本原理，介绍超声传感器的原理及特性。并且在介绍超声波测明渠流量系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。针对系统的发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。发射电路采用555定时器构成多谐振荡回路，驱动超声波换能器，使之发射出40kHz超声波信号。接收电路采用具有带通滤波的三级放大电路，电压比较，检波后经高速光耦6N137返回单片机进行数据处理。利用温度传感器实时检测环境温度以补偿温度引起的声速变化，保证了检测精度。选用MAX7219驱动LED将测得的流量实时的显示出来。完成了系统软件的设计。该流量计具有测量精度高、运行可靠、价格低廉的特点。关键字:超声波；明渠流量计；W77E58；MAX7219；温度补偿第II页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页目录摘要.IAbstract.II1绪论.11.1国内外背景.11.2选题依据及研究意义.21.3本设计的主要工作.31.3.1设计要求.31.3.2本设计的主要工作.32超声波明渠流量计技术概述.42.1超声波的基本性质.42.2超声波传感器的原理及应用.52.3流量测量.72.3.1流量的定义.72.3.2流量测量方法.82.4明渠流量测量.92.4.1明渠的定义.92.4.2明渠流量计类型.102.5超声波明渠流量测量原理.123系统的硬件设计.133.1系统硬件总体框图.133.2超声波发射电路.133.3超声波接收电路.143.4温度传感器.183.4.1DS18B20简介.183.4.2温度补偿.183.5显示电路.19第IV页4软件设计.234.1超声波明渠流量计的软件规划.234.2W77E58单片机.244.3DS18B20的接口程序设计.254.4显示程序设计.254.4.1MAX7219的初始化.264.4.2字写MAX7219程序.264.4.3显示子程序.264.5距离计算及其程序实现.264.5.1距离计算.264.5.2数制转换程序.274.6主程序设计.27总结与展望.31致谢.32参考文献.33附录A（程序）.34第1页1绪论1.1国内外背景我国开展近代流量测量技术方面的工作较晚，早期所需流量计均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，20世纪50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计。20世纪60年代开始有了涡轮流量计和电磁流量计等本国产品。现在已形成一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业。从事流量仪表研究和生产的单位超过230家，向中国仪器仪表协会流量仪表专业协会注册登记的单位也有50余家，它们均是有相当规模或有一定特色的企业。我国1990年流量仪表产量（不包括家用燃气表和家用水表）估计超过25万台。流量计在国外的发展较快，几个工业发达国家均有相当数量的流量仪表生产厂家，有专业生产多品种的流量仪表的综合大型企业，也有专业生产品种单一性能独特的流量仪表小型企业，数量上以后者居多。目前美国有200余家，英国、德国和日本也均有50家以上，我国有250家以上。解决不同条件下各种不同被测介质的流量测量，至今已经发展了种类繁多的流量仪表，一般可分为如下10大类：差压式流量计；浮子式流量计；容积式流量计；叶（涡）轮式流量计；电磁流量计；流体振荡式（包括涡街式）流量计；超声流量计；热式流量计；科里奥利质量流量计；明渠流量计。近年来，随着时代的发展，传统流量测量仪表如差压式、浮子式、容积式流量计在市场上所占据的份额已经呈现下降趋势，而新颖的流量计如电磁式、涡轮式、超声波式流量测量仪所占比重正逐年增加。超声波流量计是20世纪70年代随着IC（集成电路）技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有下列主要特点：（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以避免，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。（2）对介质几乎无要求。超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介第2页质（主要是应用多普勒法）的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。（3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。（4）超声波流量计的测量范围度宽，一般可达到20：1。1.2选题依据及研究意义随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高的要求。在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并为越来越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表的种类也越来越多。尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的发展。流量仪表一般可分为如下十大类:压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、叶(涡)轮式流量计、电磁式流量计、流体振荡式(包括涡街式)流量计、超声流量计、热式流量计、科里奥利质量流量计和明渠(或非满管)用流量计1。超声波流量计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的首选工具2。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间(速率)会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的方法3。时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。第3页1.3本设计的主要工作1.3.1设计要求（1）测量距离范围要求为m6；（2）精度要求优于1%；（3）进行温度补偿；（4）显示方式要求为数码管显示；1.3.2本设计的主要工作本文围绕堰式超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成和设计原理。本文内容由以下5部分组成:（1）分析了超声波流量计的发展现状及工作原理，并说明了超声波测流量的优点。（2）超声波明渠流量计的发射电路设计；（3）超声波明渠流量计的接收电路设计以及显示电路设计；（4）超声波明渠流量计的软件设计；（5）总结论文完成的内容，并针对不同的场合提出了改进方案。