1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计说明书基于单片机的超声波流量计内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）摘 要测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表，流量计是工业测量中重要的仪表之一。超声波流量计与以往传统的流量计相比，具有很多优点，是一种非常理想的节能型流量计。本设计在查阅大量文献资料的基础上，选择了时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究。主要进行了以下的详细研究：1. 研究了时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中传播特性及超声波换能器的特性及安装选择进行了深入研究；2. 在测量精度的提高方面，讨论并采用了超声波时
2、差测量的新方法多脉冲测量法。3. 对流量计的硬件电路及软件编程进行了详细的设计分析关键词：超声波流量计；单片机；超声波换能器；时差法；多脉冲声循环法内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）The ultrasonic flowmeter based on Monolithic integrated circuitAbstractThe appliance to measure the rate of fluid flow is generally called flowmeter or flow indicator and is an important appliance in indust
3、rial measurements. Compared with traditional flowmeter, the ultrasonic flowmeter has many advantages. This design based on mass research of data and finally took the travel-time-difference method ultrasonic flowmeter as the object of study and made deep theoretical research of how to improve the acc
4、uracy, stability and reliability of the system. 1. Studies on the measurement principles of travel-time-difference method ultrasonic flowmeter were made. The dissemination features of ultrasonic wave in fluid and the features of Ultrasonic wave transducer and the choice of different methods of insta
5、llation. 2. From the aspect of the enhancement of measure accuracy, it discussed the new method of travel-time-difference-multi-beams measurements and further put it into application.3. Detailed design and analysis of the hardware circuit and software programming of the flowmeter were made. Key word
6、s: ultrasonic flowmeter；Monolithic integrated circuit；ultrasonic transducer； travel-time-difference method；multi-beams Sound cyclic method内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 概述 .11.1 超声的相关概念 .11.1.1 超声的相关概念 .11.1.2 超声的研究发展和应用 .11.2 流量计的发展历史及现状 .21.3 流量计的分类及特点 .31.4 超声波流量计概述 .31.4.1 超声波流量计的发
7、展及现状 .31.4.2 超声波流量计的特点 .31.4.3 超声波流量计两种主要测量原理及对比 .4第二章 超声波流量计的总体设计 .52.1 超声波换能器概述 .52.1.1 超声波换能器能量转换原理 .52.1.2 超声波换能器的类型及主要性能指标 .52.2 超声波换能器的选择及设计 .72.2.1 超声波换能器的主要参数 .72.2.2 超声波换能器的选择 .82.2.3 超声波换能器的安装方式及选择 .82.3 时差法测量原理及影响测量的主要因素 .9内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2.3.1 Z 型安装方式时差法测流量的测量原理 .92.3.2 影响测量的主要因素 .11
8、2.3.3 V 型安装方式时差法原理介绍 .112.4 多脉冲测量原理 .12第三章 超声波流量计一次仪表部分硬件设计 .153.1 超声波发射电路的选择与设计 .153.2 超声波接收信号调理电路选择与设计 .163.2.1 一级放大电路 .163.2.2 带通滤波电路 .173.2.3 二级放大电路 .18第四章 超声波流量计二次仪表部分硬件设计 .194.1 系统工作原理概述 .194.2 芯片资料 .214.2.1 总线收发器 74LS245.214.2.2 计数器 74S196 .214.2.3 4040CMOS12 级二进制计数分频器 .224.2.4 AT89C51.234.3
9、超声波顺流逆流发射接收控制电路 .254.4 计数电路原理概述 .264.5 从单片机的作用及选择 .274.6 主单片机的作用及选择 .284.7 显示电路 .284.7.1 LED 显示器的结构和原理 .28内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4.7.2 共阴极 LED 结构及静态显示原理 .284.8 键盘电路 .304.9 看门狗电路 .314.10 主单片机与从单片机的通信接口 .324.10.1 主从单片机通信的作用 .324.10.2 主从单片机的连接方法 .32第五章 系统软件设计 .345.1 软件系统结构总述 .345.2 主单片机软件设计 .345.3 从单片机软件设
10、计 .355.3.1 从单片机的软件流程图 .355.4 主从单片机数据发送子程序流程 .365.5 键盘子程序 .375.5.1 键盘行列扫描主程序流程图 .375.5.2 键盘扫描子程序流程图 .385.5.3 按键预处理子程序流程图 .395.5.4 按键处理子程序流程图 .395.6 超声波换能器发射接收切换控制流程图 .415.7 设计程序仿真调试过程 .41结 论 .43参 考 文 献 .44附 录 A.46附 录 B.47内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）致 谢 .62内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 概述1.1 超声的相关概念1.1.1 超声的相关概念我们生
11、活的世界充满了各种声信号，人们可听到的声音频率为 20Hz 一 20KHz，即为可听声波，超出次频率范围的声音，即 20Hz 以下的声音称为低频声波；频率高于人类听觉上限频率(约 20KHz)的声波，称为超声波，或称超声。声波的速度越高，越与光学的某些特性如反射定律、折射定律相似。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同，一般分为横波、纵波和表面波。质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播；质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波，它只能在固体中传播；质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面
12、波，表面波只在固体地表面传播。1.1.2 超声的研究发展和应用超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883 年 Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。20 世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917 年，法国物理学家朗之万(paulLangevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随
13、着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。1.2 流量计的发展历史及现状数千年前，人们为了适
14、应农业灌溉和水利的需要，就已经开始关注流量测量问题，古埃及就已经出现了堰的雏形 1。在现代工业领域，流量测量仪表是工业自动化仪表和装置中的大类仪表之一，在各方面有广泛的应用，是发展工农业生产、节约能源、改进产品质量、提高经济效益和管理水平的重要工具，无论在商业贸易和工业生产中，对流体流量计量的需求都在不断增长 2。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。我国开展近代流量
15、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。我国 1990 年流量仪表产量（不包括家用燃气表和家用水表）估计超过内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）25 万台 3-6。1.3 流量计的分类及特点照目前最流行、最广泛的分类法，即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量
16、计、质量流量计和插入式流量计。以上为按照较传统的测量原理设计的流量计量仪表，现在还出现了几种新工作原理的流量仪表，如静电流量计、复合效应流量仪表、转速表式流量传感器等 7。由上述可知，流量计发展到今天虽已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。每种流量计都有其适用范围，也都有局限性，这就要求我们能在现有知识与技术基础上，研制新型仪表，提高精确度等指标，使其在现有基础上更加完善。超声波流量计由于其自身特点和其优势，具有开发及完善的更大前景。1.4 超声波流量计概述1.4.1 超声波流量计的发展及现状1.4.2 超声波流量计的特点超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束的作用，来测量体积流量的仪表。超声波流量计作为一种非接触式测量仪表，相对于传统的流量计而言具有以下优点:(1)可作非接触测量；(2)为无流动阻挠测量，无额外压力损失；(3)原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关；(4)可测量固相含量较多或含有气泡的液体，可测量非导电性液体，是电磁流量
