摘要超声波流速传感器是以超声波在液体中传播，载上流体流速，通过信息处理，获取流速的一款智能仪器。
测量流速还可以为测量流量提供最直接的帮助，所以流速传感器作为超声波流量传感器的核心部分。
本论文主要是针对明渠的流速测量，在经过分析对比后，得到了使用时差法测流速的结论。
然而，超声波流速传感器是最近二三十年才得到研究生产并且投入使用的新型仪表，市场上各种各类的超声波流速传感器层出不穷，很多商家也处于观望的态度，毕竟刚刚研制出来的产品，质量还不够成熟，有些问题还没有得到解决，因此，在信息时代的今天，这种新型仪器是非常值得研究。
本论文是在查阅国内外大量相关文献，充分调研的基础上完成的。
在提高精确度的情况下缩减电路模块的使用，通过另类的时差算法，避免了温度对测量数据的影响。
以下是本论文主要的研究地方：1.超声波在流体中传播的特性；超声波换能器的原理，选择以及使用方法；对几种不同的超声波流速传感器特别是时差法超声波流速传感器进行了理论的分析研究。
2.在对传统的时差法研究的情况下，发现其受温度的影响很大，不仅数据的准确性受到干扰，还要增加使用温度模块修正数据。
因此，改进了时差算法，避免温度的影响。
选取了高精度芯片TDC-GP2作为时间测量模块；设计了过零阀值比较电路，有效减少干扰信号。
3.在硬件设计方面：以模块的形式，从接收到显示，逐一详细介绍。
在器件的选型，参数计算，匹配，提高精度等方面进行研究分析，以求达到高效能，低成本的硬件设计电路。
4.在软件设计方面：结合硬件设计电路，设计出主流程图，编写主程序，再逐一研究设计各个功能模块，完成软件设计。
5.制作硬件电路的原理图。
关键词：超声波时差法 TDC-GP2 明渠AbstractUltrasonic flow sensor is transmitted in the liquid by ultrasonic, based on velocity of flow, through information processing, obtain the velocity of a intelligent instrument. Measurement of the flow rate can also provide direct help for themeasurement of flow, so the velocity sensor as the core part of the ultrasonic flowsensor. This paper is mainly aimed at the measurement of flow velocity in thechannel, after analysis and comparison, the use of time difference method ofvelocity measurement results. However, ultrasonic flow sensor is a new type ofinstrument in recently twenty or thirty years research production and put into use,the ultrasonic flow sensor on the market all kinds of emerge in an endless stream, many businesses are in a wait-and-see attitude, after all, has justdeveloped products, quality is not mature enough, some problems have not been solved, therefore, in the information age of today this new instrument, is very worthy of research.This thesis is available in a large number of relevant literatures home and abroad, to complete the full investigation on the basis of the. Using the reduction of the circuit module in improving the accuracy of the case, the difference algorithm offbeat, avoid the influence of temperature on the measurement data.The following is the main research areas:1.Characteristics of ultrasonic wave propagation in a fluid; the principle of ultrasonic transducer, selection and use method of ultrasonic flowsensor;several different especially transit time ultrasonic flow velocity sensor are analyzed theory.2. I n the research method of time difference to the traditional case, found its greataffected by temperature, not only the accuracy of the data is disturbed, but alsoincrease the use of module temperature correction data. Therefore, the time difference algorithm, avoiding the influence of temperature. Select the high accuracy chip TDC-GP2 as the time measurement module; design of the zero crossing the threshold comparison circuit, effectively reduce the interference signal.3.In the aspect of hardware design: by the module form, from the receiver to thedisplay, one by one to introduce in detail. In the device selection, parameter calculation, matching, improve the precision and other aspects of research and analysis, the ball to reach high performance, low cost hardware circuit design.4.In the aspect of software design: combination of hardware circuit design,designed the main flow chart, compile the main program, then the design of each functional module, software design.目录1 绪论 (1)1.1研究意义 (1)1.2历史背景以及现状 (2)1.3流量传感器的分类 (3)1.4超声波的概念 (3)1.5超声波的特性 (4)1.6超声波在明渠流速传感器中的应用 (5)2 超声波流速传感器的分类与原理 (5)2.1多普勒法的原理 (5)2.2相位差法 (7)2.3直接时差法原理以及算法改正 (8)2.4频率差法 (9)3 超声波流速传感器的硬件设计 (11)3.1 总模块设计 (11)3.2超声换能器的设计 (12)3.3超声波发射电路的硬件设计 (16)3.4超声波接收电路的硬件设计 (17)3.5切换开关的设计 (24)3.6计时电路的设计 (25)3.7微处理器的选型 (28)3.8复位电路的设计 (29)3.9单片机晶振的设计 (30)3.10显示电路的设计 (30)3.11M-BUS通信电路的设计 (35)3.12按键电路的设计 (37)4 超声波流速传感器的软件设计 (38)4.1按键程序的设计 (38)4.2超声波发射程序的设计 (39)4.3计时程序的设计 (39)4.4TDC-GP2程序的设计 (41)4.5显示程序的设计 (42)4.6通讯子程序的设计 (43)5 总结及展望 (45)参考文献 (46)致谢 (47)附录 (48)附录1 系统原理图 (48)附录2 部分功能实现子程序 (49)附录 3 外文文献翻译 (53)1 绪论1.1研究意义从人类进入文明时代以来，就开始关注农业灌溉和水利问题，不断在寻找可靠的测量方式以求获得更多准确的信息。
古代埃及就出现了堰的雏形从而开启了测量的先河。
明渠是一种有自由表面(表面上各点受大气压强的作用)的水流渠道。
根据渠道的形成可分为天然和人工明渠。
前者如江河渠道；后者有人工输水渠道、运河以及没有充满水流的管道等。
明渠又名水渠、人造河流、河道、运河，狭窄的谷地。
在大雨洪涝灾害时，明渠可以有效泄洪。
在工厂区，明渠引导废水到海洋或废水处理厂。
在矿区，明渠有效疏导地下水，防止透水事故的发生。
在农业区，明渠作为农作物灌溉的水分来源。
火电厂引水和排水渠，城市供水引水渠等。
有效的采集明渠信息是对工农业发展，防止灾害，保护生命财产安全具有重大意义。
在很多行业对流速传感器的需求持续增长。
明渠流速传感器与其他封闭满管流量仪表不同，是在非满管状态下或敞开渠道具有自由便面自然流的流量仪表。
明渠原理的明渠流量计价格低廉、使用简单，因而在明渠流量测量中被广泛采用。
1.2 历史背景以及现状1928年德国科学家研制出第一台超声波流量计，并取得了专利。
时至今日超声波流量计以有76年的历史。
1955年首先应用于马克森（MAXSON）流量计测量航空燃烧油，这是循环法的两组探头（换能器）组成的液体流量计1958A.L.H-ERDRICH 等人发明折射式探头，由于他们的研究可进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，也为管外夹装提供了理论依据。