【正文】 .............. 31 主單片機(jī)與從單片機(jī)的通信接口 ......................................................................... 32 主從單片機(jī)通信的作用 .............................................................................. 32 主從單片機(jī)的連接方法 .............................................................................. 32 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................................ 34 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總述 ................................................................................................... 34 主單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................... 34 從單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................... 35 從單片機(jī)的軟件流程圖 ................................................................................ 35 主從單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程 ........................................................................... 36 鍵盤子程序 ............................................................................................................... 37 鍵盤行列掃描主程序流程圖 ........................................................................ 37 鍵盤掃描子程序流程圖 ................................................................................ 38 按鍵預(yù)處理子程序流程圖 ............................................................................ 39 按鍵處理子程序流程圖 ................................................................................ 39 超聲波換能器發(fā)射接收切換控制流程圖 ............................................................... 41 設(shè)計(jì)程序仿真調(diào)試過程 ........................................................................................... 41 結(jié) 論 .................................................................................................................................... 43 參 考 文 獻(xiàn) ...................................................................................................................... 44 附 錄 A ................................................................................................................................... 46 附 錄 B ................................................................................................................................... 47 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 致 謝 ...................................................................................................................................... 62 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第一章 概述 超聲的相關(guān)概念 超聲的相關(guān)概念 我們生活的世界充滿了各種聲信號，人們可聽到的聲音頻率為 20Hz 一 20KHz，即為可聽聲波，超出次頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波；頻率高于人類聽覺上限頻率 (約 20KHz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。 本設(shè)計(jì)在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，選擇了時差法超聲波流量計(jì)為研究對象，對如何提高系統(tǒng)的精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問題進(jìn)行了深入的理論研究。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 （畢業(yè) 論文 ） 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于單片機(jī)的超聲波流量計(jì) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 （畢業(yè) 論文 ） 摘 要 測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)或流量表，流量計(jì)是工業(yè)測量中重要的儀表之一。超聲波流量計(jì)與以往傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，具有 很多 優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的節(jié)能型流量計(jì)。主要進(jìn)行了以下的詳細(xì)研究： 1. 研究了時差法超聲波流量計(jì)的測量原理，對超聲波在流體中傳播特性及超聲波換能器的特性及安裝選擇進(jìn)行了深入研究； 2. 在測量精度的提高方面， 討論并采用了超聲波時差測量的新方法 — 多脈沖測量法。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特 性如反 射定律、折射定律 相似。質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波，稱為縱波， 它能在固體、液體和氣體中 傳播；質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波，它只能在固體中傳播； 質(zhì)點(diǎn)的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅 速地衰減，稱為表面波， 表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァ?1883 年 Galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成 氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲。由于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍廣泛地用于對流體媒質(zhì)的超聲處理技術(shù)中。 1917 年，法國物理學(xué)家朗之萬 (paulLangevin)用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測潛艇。 材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機(jī)電藕合系數(shù)高、價(jià)格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜 (PVDF)等。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。 流量計(jì)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 數(shù)千年前，人們?yōu)榱诉m應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉和水利的需要，就已經(jīng)開始關(guān)注流量測量問題，古埃及就已經(jīng)出 現(xiàn)了堰的雛形 [1]。 流量計(jì)在國外的發(fā)展較快，幾個工業(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。 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)。現(xiàn)在已形成一個相當(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)。 流量計(jì)的分類及特點(diǎn) 照目前最流行、最廣泛的分類法，即分為 :容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦 輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和插入式流量計(jì)。由上述可知，流量計(jì)發(fā)展到今天雖已日趨成熟，但其種類仍然極其繁多，至今尚無一種對于任何場合都適用的流量計(jì)。超聲波流量計(jì)由于其自身特點(diǎn)和其優(yōu)勢，具有開發(fā)及完 善的更大前景。超聲波流量計(jì)作為一種非接觸式測量儀表，相對于傳統(tǒng)的流量計(jì)而言具有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)可作非接觸測量； (2)為無流動阻撓測量，無額外壓力損失； (3)原理上不受管徑限制，其造價(jià)基本上與管徑無關(guān)； (4)可測量固相含量較多或含有氣泡的液體，可測量非導(dǎo)電性液體，是電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） (5)因易于實(shí)行與測試方法相結(jié)合，可解決一些特殊測量問題，如速度分布嚴(yán)重畸變測量 ，非圓截面管道測量等； (6)某些傳播時間法超聲波流量計(jì)附有測量聲波傳播時間的功能，即可測量液體聲速以判斷所測液體類別。 超聲波流量計(jì)兩種主要測量原理及對比 超聲波流量計(jì)的測量原理，大致可分為兩種：一種是利用超聲波的傳播速度隨流速變化而發(fā)生變化的原理來測量的超聲波時差法流量計(jì)；另一種是利用超聲波在有懸浮顆?；驓馀莸牧黧w的傳播過程中由于懸浮顆?；驓馀莸姆瓷涫蛊浒l(fā)生頻移的多普勒效應(yīng)來測量的多普勒流量計(jì)。對于前者，只要是超聲波能夠透過的測量對象都能進(jìn)行測量，但不適宜測量混入非常大的且有妨礙物體（例如大量的雜物和氣泡）的流體；而多普勒流量計(jì)的測量原理則決定了它只適用于一些雜質(zhì)顆粒較大的場合 [9]。例如 :煤漿、污水、漿體等含固體或雜質(zhì)較多的液體 ,通常不適于清潔流 體的測量。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 超聲波流量計(jì)的總體設(shè)計(jì) 超聲波換能器概述 超聲波換能器能量轉(zhuǎn)換原理 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。 在發(fā)射超聲波的過程中，換能器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為聲能，如圖 所示： 電能 聲能機(jī)械能 圖 發(fā)射超聲波 過程 的能量轉(zhuǎn)化 在接收超聲波的過程中，換能器將聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能 ，如圖 所示： 電能機(jī)械能聲能 圖 接收超聲波 過程 的能量轉(zhuǎn)化 超聲波換能器的類型及主要性能指標(biāo) 目前常用的超聲 波 換能器有兩大類，即電聲型與流體動力型。目前比較常用的是壓電超聲波換能器。 壓電 換能器 屬于超聲 波換能器 器中電 聲型的一種。 它的特點(diǎn)是阻抗高且呈容性，還具有結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠性高等特點(diǎn)。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯欽酸鉛，欽酸鋇等。相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。因此，用這種 材料可以制成超聲 波換能 器。前者用于超聲波的發(fā)射，后者 用于 超聲波的接收。這種超聲 波換能 器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0 的 交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0 。 當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就 可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲 波換能 器 。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。 超聲波的頻率越高，聲 束擴(kuò)散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好，但是頻率越高，超聲波衰減越大，而且也會增加電路設(shè)計(jì)的困難。 (2)入射角 這個角度決定了超聲波換能器的安裝位置。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） (3)發(fā)射強(qiáng)度 由于噪聲的影響，接收換能器接收到的信號一般要求在幾 十毫伏以上，超聲波發(fā)射的強(qiáng)度越大，相同距離內(nèi)接收探頭收到的強(qiáng)度也越大，削弱聲吸收的影響，所以，要使接收換能器能夠可靠地工作，發(fā)射探頭必須要能發(fā)射出足夠的能量，以便接收探頭分辨處理超聲波首波，提高測量精度。 (4)工作溫度 工作溫度是指能使 換能 器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于 居里點(diǎn)溫度。 超聲波 換能 器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的 換能 器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。 本設(shè)計(jì)中選用的為收發(fā)一體式，選用兩臺材質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同的換能器 T1和 T2進(jìn)行交替發(fā)射接收，以實(shí)現(xiàn)順流和逆流的時間測量。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） T1T2T1T2T1T