论文总字数：25949字

摘 要

流量计在工业生产、医疗器械、居民日用等方面都有重要的应用，许多方面技术的发展要求流量测量更偏向精密化、小口径的方向发展。超声波流量计拥有不接触介质、对介质属性没有要求、响应快速、无压损等优点适合在各种流量测量场合应用，有精密化的潜力。超声波流量计的国内发展较晚，技术水平落后大。因此，研究吸收国外优秀设计经验研制智能化低成本超声波流量计具有重要价值。

本文在进行背景与原理研究后，完成了一款基于单片机和高精度时间芯片的超声波流量计的开发与测试。背景研究、国内外发展了解、并对流量计算法原理进行的详细的论证后，选定使用超声波流量计应用于本课题的实践，并使用单片机stm32f1系列增强型r8t6作为主控，高精度时间数字转换器TDC-GP21作为时间测量核心，使用时差法进行超声波流量测量，利用一堆市面上国产现有的超声波换能器作为传感器，尝试进行小口径的流量表设计。完成了对核心板、显示电路、辅助电路等电路完成了硬件设计和制作，给出流量计总体硬件设计原理图，完成相应的软件设计对硬件测量进行时序控制和结果处理，通过显示屏进行显示，并在文中给出软件流程图；进行相应的软硬件测试，达到了20mm管道流量测量的功能。

关键词：超声波流量计，时差法，TDC-GP21，小口径

Abstract

Flowmeters have important applications in industrial production, medical equipment, and daily use. In many aspects, the development of technology requires flow measurement to be more precise and small-diameter. The ultrasonic flowmeter has the advantages of no contact with the medium, no requirement for the properties of the medium, fast response, no pressure loss, etc. It is suitable for application in various flow measurement occasions, and has the potential of precision. The domestic development of ultrasonic flowmeters is relatively late, and the technical level is backward. Therefore, it is of great value to study and absorb the excellent design experience from abroad to develop intelligent low-cost ultrasonic flowmeter.

After studying the background and principle, this paper completed the development and testing of an ultrasonic flowmeter based on single-chip microcomputer and high-precision time chip. After background research, development at home and abroad, and detailed demonstration of the flowmeter algorithm principle, the ultrasonic flowmeter was selected for the practice of this subject, and the single-chip stm32f1 series enhanced r8t6 was used as the master, high-precision time digital The converter TDC-GP21 is used as the core of time measurement. Ultrasonic flow measurement is performed by using the time difference method. A bunch of commercially available ultrasonic transducers on the market are used as sensors to try to design a small-caliber flow meter. Completed the hardware design and production of the core board, display circuit, auxiliary circuit and other circuits, gave the overall hardware design schematic of the flowmeter, completed the corresponding software design, and performed the timing control and result processing on the hardware measurement, and displayed through the display. The software flow chart is given in the text; the corresponding software and hardware tests are carried out to achieve the function of 20mm pipe flow measurement.

KEY WORDS:Ultrasonic flowmeter, time difference method, TDC-GP21, small caliber

目 录

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状与分析 2

1.2.1 国外现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.2.3 超声波流量计简述 3

1.3 论文内容与结构安排 4

第二章 流量检测理论研究 5

2.1 流量检测的类型简述 5

2.1.1 机械式 5

2.1.2 电磁式 5

2.1.3 超声波式流量计 7

2.2 超声波式下的检测方法类型简述 7

2.2.1 时差法 7

2.2.2 相差法 8

2.2.3 频差法等 9

2.3 几种测量方法与原理 9

2.4 设计选择 11

第三章 小口径流量计硬件系统设计 12

3.1 流量检测系统总体设计 12

3.2 供电模块设计 13

3.3 单片机选择与最小系统设计 14

3.3.1 处理器选择 14

3.3.2 单片机最小系统 15

3.4 超声换能器 15

3.4.1 换能器驱动电路原理与设计 17

3.4.2 回波接收电路设计 19

3.5 电子开关 20

3.6 计时芯片TDC-GP21 21

3.6.1 计时芯片选择与原理 21

3.6.2 计时芯片TDC-GP21的硬件电路设计 23

3.7 硬件布局设计与成品 24

第四章 系统软件设计 27

4.1 软件总体设计 27

4.2 开发环境 30

4.3 功能设计 31

4.3.1 SPI时序 31

4.3.2 基于TDC-GP21的时间测量 32

4.3.3 OLED显示和按键 33

4.3.4 基于时差法的z字型测量 33

第五章 系统测试与分析 36

5.1 单片机下载调试 36

5.2 OLED测试 37

5.3 通讯测试 37

5.4 换能器驱动测试 38

5.5 流量计实物搭建与测试 38

第六章 结论 40

致 谢 41

参考文献 42

附录 44

绪论

选题背景与意义

液体流量的测量在许多工业场合、民用场合都有许多应用，准确的、符合应用要求的液体流量测量技术因此也不可或缺。传统的流量测量有几大类：

1.机械式：测量传感器、计算器和指示装置均为机械原理和结构，主要有速度式流量计、容积式流量计、压差式流量计，他们的体积一般较大，以液体流动的压力为测量依据，因此容易受到液体流动压力变化的影响，精度和瞬时响应性有所不足。

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