第I頁超聲波明渠流量計的設計摘要本設計介紹了一種基于W77E58單片機的超聲波明渠流量計。該流量計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,進而得到流量。本設計概述了超聲波明渠流量計的發(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)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構成。針對系統(tǒng)的發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設計方案進行了論證。發(fā)射電路采用555定時器構成多諧振蕩回路，驅動超聲波換能器，使之發(fā)射出40kHz超聲波信號。接收電路采用具有帶通濾波的三級放大電路，電壓比較，檢波后經高速光耦6N137返回單片機進行數(shù)據(jù)處理。利用溫度傳感器實時檢測環(huán)境溫度以補償溫度引起的聲速變化，保證了檢測精度。選用MAX7219驅動LED將測得的流量實時的顯示出來。完成了系統(tǒng)軟件的設計。該流量計具有測量精度高、運行可靠、價格低廉的特點。關鍵字:超聲波；明渠流量計；W77E58；MAX7219；溫度補償?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國內外背景.11.2選題依據(jù)及研究意義.21.3本設計的主要工作.31.3.1設計要求.31.3.2本設計的主要工作.32超聲波明渠流量計技術概述.42.1超聲波的基本性質.42.2超聲波傳感器的原理及應用.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明渠流量計類型.102.5超聲波明渠流量測量原理.123系統(tǒng)的硬件設計.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溫度補償.183.5顯示電路.19第IV頁4軟件設計.234.1超聲波明渠流量計的軟件規(guī)劃.234.2W77E58單片機.244.3DS18B20的接口程序設計.254.4顯示程序設計.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距離計算及其程序實現(xiàn).264.5.1距離計算.264.5.2數(shù)制轉換程序.274.6主程序設計.27總結與展望.31致謝.32參考文獻.33附錄A（程序）.34第1頁1緒論1.1國內外背景我國開展近代流量測量技術方面的工作較晚，早期所需流量計均從國外進口，直到20世紀30年代中期才出現(xiàn)光華精密機械廠所制造的家用水表，20世紀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。20世紀60年代開始有了渦輪流量計和電磁流量計等本國產品?，F(xiàn)在已形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術和儀表研究開發(fā)和生產的產業(yè)。從事流量儀表研究和生產的單位超過230家，向中國儀器儀表協(xié)會流量儀表專業(yè)協(xié)會注冊登記的單位也有50余家，它們均是有相當規(guī)模或有一定特色的企業(yè)。我國1990年流量儀表產量（不包括家用燃氣表和家用水表）估計超過25萬臺。流量計在國外的發(fā)展較快，幾個工業(yè)發(fā)達國家均有相當數(shù)量的流量儀表生產廠家，有專業(yè)生產多品種的流量儀表的綜合大型企業(yè)，也有專業(yè)生產品種單一性能獨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的流量測量，至今已經發(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；浮子式流量計；容積式流量計；葉（渦）輪式流量計；電磁流量計；流體振蕩式（包括渦街式）流量計；超聲流量計；熱式流量計；科里奧利質量流量計；明渠流量計。近年來，隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)流量測量儀表如差壓式、浮子式、容積式流量計在市場上所占據(jù)的份額已經呈現(xiàn)下降趨勢，而新穎的流量計如電磁式、渦輪式、超聲波式流量測量儀所占比重正逐年增加。超聲波流量計是20世紀70年代隨著IC（集成電路）技術迅速發(fā)展才開始得到實際應用的一種非接觸式儀表，相對于傳統(tǒng)的流量計而言，它具有下列主要特點：（1）解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。因為一般流量計隨著管徑的增加會帶來制造和運輸上的困難，不少流量計只適用于圓形管道，而且造價提高，能耗加大，安裝不便，這些問題，超聲波流量計都可以避免，這樣就提高了流量測量儀表的性能價格比。（2）對介質幾乎無要求。超聲波流量計不僅可以測量液體、氣體，甚至對雙相介第2頁質（主要是應用多普勒法）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難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性的流量問題。（3）超聲波流量計的流量測量準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）超聲波流量計的測量范圍度寬，一般可達到20：1。1.2選題依據(jù)及研究意義隨著工農業(yè)的發(fā)展，對流體流量和總量的計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，提高經濟效益和產品質量的今天，流量計量與測試的重要性就更加突出并為越來越多的人所認識。特別是隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的飛速發(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，流量測量技術和儀表已經得到了長足的發(fā)展。流量儀表一般可分為如下十大類:壓差式流量計、浮子式流量計、容積式流量計、葉(渦)輪式流量計、電磁式流量計、流體振蕩式(包括渦街式)流量計、超聲流量計、熱式流量計、科里奧利質量流量計和明渠(或非滿管)用流量計1。超聲波流量計是20世紀70年代隨著IC技術迅速發(fā)展才開始得到實際應用的一種非接觸式儀表。近幾年來，隨著電子技術、數(shù)字技術和聲楔材料等技術的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發(fā)展很快。基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現(xiàn)，其應用領域涉及到工農業(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。目前應用較多的超聲波流量計測量方法主要有時差法、多普勒效應法、相關法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法應用最為普遍。超聲波流量計的時差測量法是基于超聲波在具有流速的媒質里傳播時，其傳播時間(速率)會隨著媒質流速的變化而變化的原理來實現(xiàn)媒質流速測量的方法3。時差法的關鍵是對于時間測量的高精度，近幾年來，隨著集成電路的高速發(fā)展，高速時間計數(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，這也對時差法超聲波流量計的發(fā)展產生了極大的推動。第3頁1.3本設計的主要工作1.3.1設計要求（1）測量距離范圍要求為m6；（2）精度要求優(yōu)于1%；（3）進行溫度補償；（4）顯