【正文】 光等發(fā)展起來的流量測(cè)量新技術(shù)，它通過安裝在渠道兩側(cè)的檢測(cè)裝置之間接感知信號(hào)。它不但可以提高測(cè)量精度（因?yàn)闊o節(jié)流壓力損失，不破壞原來流場(chǎng)）及儀表壽命（因?yàn)闄z測(cè)元件不受流體沖擊、磨蝕作用），而且可以實(shí)現(xiàn)用一套測(cè)量裝置來測(cè)量渠道系統(tǒng)多個(gè)部位的流量，因而是一種具有廣泛發(fā)展與應(yīng)用前景的先進(jìn)的流量測(cè)量方法。超聲流量計(jì)的特點(diǎn):超聲流量計(jì)是近年來發(fā)展迅速的流量計(jì)之一，和傳統(tǒng)的流量計(jì)，如差壓流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、渦街流量計(jì)等相比，超聲波流量計(jì)有以下突出的優(yōu)點(diǎn):（1）采用非接觸式測(cè)量，換能器安裝在渠道外壁而不與被測(cè)流體直接接觸，基本上不干擾流場(chǎng)無壓力損失，是一種比較理想的儀表。（3）通用性好，在可測(cè)范圍內(nèi)，同一臺(tái)流量計(jì)可測(cè)任何不同的渠道。（5）安裝維修方便，不需要專門的閥門等且不必中斷流體流動(dòng)，不影響生產(chǎn)。通常，稱滿水水路為封閉管道，而稱非滿水的水路叫做明渠(Open Channel)[8] [9]，明渠的本質(zhì)特征是流體具有自由流動(dòng)表面，從物理學(xué)的角度講是流體在無壓狀態(tài)下流動(dòng)，即壓力能為零。(a) 自由表面流的暗渠 (b)自由表面流的暗渠(c)自由表面流的明渠 (d)滿水管路 各種水路相應(yīng)的，流量測(cè)量?jī)x表也可分為封閉管道流量計(jì)和明渠流量計(jì)兩類。由于明渠流量較大，流體往往會(huì)有一定的腐蝕性或夾帶雜質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用中，較多地使用傳統(tǒng)的流量堰和流量槽裝置測(cè)量明渠的流量。堰槽流量計(jì)由堰槽和與之配套的水位傳感器或水位流量顯示儀表組成。以下僅介紹實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的堰式和槽式流量計(jì)的原理與特點(diǎn)。此時(shí)的水位和流量具有一定的關(guān)系，測(cè)量這一水位就可以間接得到流量。 (a) 堰式測(cè)流量示意圖(b) 明渠測(cè)量示意圖 堰式流量測(cè)量原理根據(jù)缺口的形狀，堰可分為三角形堰、矩形堰、全寬堰以及梯形堰等。河道或?qū)嶋H工程中也常采用寬頂堰和實(shí)用剖面堰來量測(cè)較大流量。堰式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、價(jià)格便宜并且可靠性高的特點(diǎn)，但在實(shí)際中應(yīng)用很少，主要原因在于：（1）壓力損失較大，且只宜用于窄渠、固體雜質(zhì)少或無沉積物的流體流量檢測(cè)，否則堰前易沉積雜物，要定期清理。比例堰可實(shí)現(xiàn)線性化但未能標(biāo)準(zhǔn)化，缺乏設(shè)計(jì)的必要數(shù)據(jù)，而且國內(nèi)尚無專業(yè)廠家批量制造。（4）裝調(diào)整較為復(fù)雜。槽式流量測(cè)量的基本原理是在水路上安裝具有特定形狀的水糟，使得渠路中的水流在流經(jīng)水槽喉管部時(shí)產(chǎn)生節(jié)流，從而引起流速的變化。通過測(cè)量這個(gè)水位數(shù)據(jù)，那么在已知測(cè)量槽各部分尺寸參數(shù)的條件下便可利用相關(guān)公式計(jì)算出流量。湯姆森公式: ()適用范圍為，范圍較窄。則一段時(shí)間內(nèi)的累積流量為： ()式中Q為流體單位時(shí)間的流量，經(jīng)過積分后求得的為時(shí)間t1t2時(shí)間段內(nèi)的累積流量。設(shè)超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差為t,可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即: ()超聲波在空氣中的傳播速度為C，0℃時(shí)的傳播速度為331，25℃時(shí)為347，其與環(huán)境T（℃）的關(guān)系見（）式。通過DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償后,水位與超聲波的速度無關(guān),提高超聲波測(cè)距精度。超聲波發(fā)射電路超聲波探頭三級(jí)放大光電隔離溫度檢測(cè)電路比較電路W77E58單片機(jī)顯示電路 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選擇了超聲波探頭的型號(hào)選用CSB40T，最大探測(cè)距離為 6m，發(fā)射擴(kuò)散角為 60度。 超聲波發(fā)射電路本文中利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。從圖中可知，40KHz的超聲波信號(hào)使利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生的。為保證555時(shí)基具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，宜采用+12V電源。 發(fā)射電路555電路在作定時(shí)器或多諧振蕩器使用時(shí)，常常利用放電端給外接電容一個(gè)接地放電的通路。555電路的輸出有高電平和低電平兩種狀態(tài)，好象它內(nèi)部有一個(gè)控制開關(guān)能自動(dòng)動(dòng)作。詳述如下：接收電路原理圖如圖 ，放大電路共有三級(jí)：前置放大器是高阻抗輸入級(jí)，高輸入阻抗是為了與傳感器的高阻抗匹配；中間放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行有選擇的放大，只放大中心頻率 40KHz的回波信號(hào)；第三級(jí)是增益放大，利用OP07放大器增加對(duì)超聲波回波信號(hào)的放大倍數(shù)，放大增益為 10。每一級(jí)的反相輸入端串入一個(gè)隔直電容，以濾除低頻分量，使放大電路呈現(xiàn)高通特性；同時(shí)利用運(yùn)放自身的低通特性，使二者結(jié)合構(gòu)成所需放大器。其放大倍數(shù)為： （）第三級(jí)是增益放大，利用OP07放大器增加對(duì)超聲波回波信號(hào)的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)A為10。如下圖所示電路，它由電壓比較器LM393構(gòu)成，反相輸入端參考電壓應(yīng)小于有效信號(hào)的峰值，大于噪聲信號(hào)的峰值。檢波輸出引起單片機(jī)CPU中斷，CPU記錄發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間，并轉(zhuǎn)換為距離。高速光電耦合器 6N137被設(shè)計(jì)用于高速數(shù)字連接的應(yīng)用，由兩個(gè)發(fā)光二級(jí)管組成一個(gè)完整的光檢驗(yàn)器。隔離高電平，使其對(duì)主控電路不產(chǎn)生干擾。此外，6腳都輸出高電平。廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、比較器，絕對(duì)值電路、及微弱信號(hào)的精確放大，尤其適應(yīng)于宇航、軍工的應(yīng)用。OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路,用于微弱信號(hào)的放大,。LM393 是雙電壓比較器集成電路。1～177。2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門；采用雙列直插8 腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8 腳塑料封裝（SOP8）各引腳功能：8腳電源＋，4腳電源－，1腳比較器A輸出，2腳比較器A反相輸入，3腳比較器A同向輸入，5腳比較器B同向輸入，6腳比較器B反相輸入，7腳比較器B輸出。C，精度為 176。利用 Dallas的單總線控制協(xié)議，和單線控制信號(hào)在總線上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。也可用傳統(tǒng)方式供電，即將外部電源接在VDD腳上即可。 DS18B20引腳圖 溫度補(bǔ)償由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表 列出了幾種不同溫度下的聲速。如果溫度變化較大且測(cè)距精度要求高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離 S為： ()其中 V 為聲速，t0為渡越時(shí)間。若渡越時(shí)間達(dá)到 9ms(離約為 3m),就會(huì)產(chǎn)生 5mm 的誤差。 溫度與聲速變化關(guān)系表溫度（176。，單片機(jī)通過它以串口數(shù)據(jù)傳送方式讀取測(cè)溫結(jié)果。MAX7219顯示器（LED）W77E58 MAX7219與單片機(jī)的連接框圖MAX7219具有能與CPU并行工作、低功耗及靈活的控制方式，而低功耗對(duì)于那些全日制工作的設(shè)備來說尤為重要。CLK：（），時(shí)鐘輸入端。 顯示電路SEGA~SEGG和SEGP為L(zhǎng)ED七段驅(qū)動(dòng)器線和小數(shù)點(diǎn)線，供給顯示器源電流。MAX7219的工作原理：（1）從CPU輸出I/O到MAX7219芯片的DIN數(shù)據(jù)輸入口的基本數(shù)據(jù)傳輸格式為16位串行數(shù)據(jù)，不管是傳送控制數(shù)據(jù)還是顯示數(shù)據(jù)，都是按16位串行數(shù)據(jù)進(jìn)行的。（3）由于本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)為AT89C51，為8位中央處理器，因此傳送給MAX7219的16位數(shù)據(jù)要分兩次傳送，首先傳送的8位數(shù)據(jù)為寄存器地址，其次傳送的數(shù)據(jù)為控制命令或等顯示數(shù)據(jù)。各控制寄存器的功能分述如下：（1）譯碼方式寄存器（地址X 9H）：對(duì)每個(gè)數(shù)字設(shè)置BCD碼或非代碼操作。邏輯高電平選擇BCD譯碼，而低電平選擇非代碼譯碼。D3~D0的值越大，LED顯示器越亮。一般以掃描速率1300HZ、8位數(shù)據(jù)、多路復(fù)用方式顯示。（4）關(guān)閉寄存器（地址X CH）：其中D7~D1位可任意。（5）顯示測(cè)試寄存器（地址X FH）：其中D7~D1位可任意。LED處于顯示測(cè)試狀態(tài)。本章主要討論了軟件的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并對(duì)流量計(jì)各部分軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。如下的圖形象的描述了各模塊功能及相互之間的關(guān)系。則在中斷響應(yīng)程序中停止計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)值，存放于數(shù)據(jù)緩沖器，再根據(jù)溫度值，計(jì)算距離，完成中斷響應(yīng)程序后，將距離信息傳輸給單片機(jī)，接著重新發(fā)射超聲波，開始新一輪的距離檢測(cè)，如此一直循環(huán)。 W77E58單片機(jī)：W77E58是8位處理器，其最高40M時(shí)鐘，4機(jī)器周期的指令執(zhí)行速度。有4個(gè)8位I/O口；擴(kuò)展的4位I/O和等待信號(hào)線（44腳的PLCC或QFP封裝提供）；三個(gè)16位計(jì)數(shù)/時(shí)器；12級(jí)中斷；片上時(shí)鐘源；兩個(gè)增強(qiáng)的雙工串口；1K的片上外部存儲(chǔ)器；可編程看門狗11K的片上外部存儲(chǔ)器；可編程看門狗；兩個(gè)全速16位數(shù)據(jù)指針DPTR；外部數(shù)據(jù)訪問周期可編程；封裝形式：DIP40：W77E58－25/40，PLCC44：W77E58P－25/40，QFP44：W77E58F－25/40。其工作時(shí)序包括：初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。復(fù)位DS18B20啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換對(duì)溫度值求補(bǔ)碼得原碼讀取16位溫度值啟動(dòng)DS18B20求補(bǔ)子程序讀取溫度子程序初始化開始 對(duì)DS18B20操作流程圖基于MAX7219的6位數(shù)碼管顯示程序?qū)嶋H上包含以下幾個(gè)部分：（1）對(duì)MAX7219的初始化部分；（2）對(duì)MAX7219的字寫入操作部分；（3）顯示子程序部分（也即寫MAX7219的8字節(jié)顯示RAM的部分）。 MAX7219的初始化對(duì)MAX7219的初始化，實(shí)際上就是指對(duì)MAX7219的掃描限制寄存器、亮度寄存器、譯碼模式寄存器及工作寄存器進(jìn)行正確設(shè)置。地址字節(jié)的高4位為無關(guān)位，通常全取1。對(duì)于微處理器來說，一般均自然滿足MAX7219對(duì)串行時(shí)鐘不能高于10MHz的要求。 顯示子程序顯示子程序的作用是將非壓縮BCD碼形式的顯示代碼寫入對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示RAM寄存器，常用的09和AF的顯示代碼對(duì)應(yīng)為00H09H和0AH0FH。 距離計(jì)算及其程序?qū)崿F(xiàn) 距離計(jì)算距離計(jì)算程序的關(guān)鍵在于根據(jù)溫度值進(jìn)行聲速的溫度補(bǔ)償，得到聲速，以及超聲波的發(fā)送與接收的時(shí)間差的獲取。假設(shè)時(shí)間數(shù)值為2字節(jié)，高字節(jié)在JSH中，低字節(jié)在JSL中，則距離計(jì)算的程序見附錄。 數(shù)制轉(zhuǎn)換程序數(shù)制轉(zhuǎn)換的原因在于：經(jīng)過求補(bǔ)得到的16位的原碼為16進(jìn)制數(shù)，無法直接進(jìn)行顯示，必須轉(zhuǎn)換為能為MAX7219所接受的BCD顯示代碼。對(duì)本系統(tǒng)而言，標(biāo)定的依據(jù)是：（1） 溫度標(biāo)定處理依據(jù)溫度只能以2位方式進(jìn)行顯示，而DS18B20的測(cè)量溫度范圍為55—+125176。C。（2） 距離標(biāo)定處理依據(jù)距離只能顯示4位整數(shù)，不考慮小數(shù)部分。，、測(cè)溫程序和INT0中斷服務(wù)程序的程序， T0中斷服務(wù)程序， 是顯示程序流程圖。T0初值為88H。 開始 INT0中斷標(biāo)志位f1←1讀取計(jì)數(shù)值 返回 INT0中斷服務(wù)程序 開始 置位T0中斷標(biāo)志位f2←1返回 T0中斷服務(wù)程序起始地址（8位）取出顯示數(shù)據(jù)是7位？N Y帶小數(shù)點(diǎn) 調(diào)用7219函數(shù)寫入7219下一個(gè)顯示地址 顯示程序流程圖總結(jié)與展望本課題研制的超聲波明渠流量計(jì)采用聲時(shí)差法的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了超聲波信號(hào)的產(chǎn)生與功率放大電路、信號(hào)接收調(diào)理電路、顯示電路等；并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)與分析，通過系統(tǒng)部分調(diào)試和分析，得出如下結(jié)論:(l)設(shè)計(jì)電路的工程中要多查閱有關(guān)的書籍和資料，盡可能使用新技術(shù)和性能價(jià)格比優(yōu)越的芯片，以提高電路設(shè)計(jì)的效率和設(shè)計(jì)電路的性能。(3)設(shè)計(jì)了以W77E58為控制核心的超聲波明渠流量系統(tǒng)，包括超聲發(fā)射電路，超聲接收電路，檢波電路，溫度補(bǔ)償電路等。在一個(gè)固定的地方，不同溫度下分別對(duì)有溫度補(bǔ)償?shù)某暅y(cè)距系統(tǒng)和無溫度補(bǔ)償?shù)某暅y(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過溫度補(bǔ)償校正可以提高超聲測(cè)距的精度；由于作者水平和時(shí)間及實(shí)驗(yàn)條件的限制，該流量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不是十分的完整，系統(tǒng)還需改進(jìn)和完善。(2)對(duì)系統(tǒng)硬件電路采取適當(dāng)?shù)拇胧?，降低外界干擾，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。管道流量非接觸測(cè)量方法與技術(shù)