下載本文檔
版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡介
移動(dòng)式超聲波風(fēng)速觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
0測量儀器設(shè)計(jì)風(fēng)角趨勢作為一個(gè)重要的氣候因素,特別是在建造海洋和應(yīng)急引導(dǎo)車的自動(dòng)氣象站時(shí),需要一個(gè)地形的風(fēng)角測量系統(tǒng)。此外,環(huán)境檢測、工業(yè)風(fēng)道檢測、危險(xiǎn)氣體測量和其他工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對高速測風(fēng)儀有著廣泛的應(yīng)用需求。目前國內(nèi)外的風(fēng)速風(fēng)向測量儀器大多為固定式,根本無法滿足移動(dòng)式風(fēng)速風(fēng)向的測量需求。而且傳統(tǒng)式儀器大多采用低位單片機(jī)作為微處理器,不僅限制了系統(tǒng)的測量精度,同時(shí)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度和通信能力也有一定的約束。文中設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng),在測量出三維風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的同時(shí),能夠?qū)d體的運(yùn)動(dòng)速度和方位進(jìn)行測量,并能夠?qū)y量到的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行系統(tǒng)校正,從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式情況下風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的測量。該系統(tǒng)具有功耗小、精度高、可靠性高、不受環(huán)境影響等特點(diǎn)。1系統(tǒng)的工作原則和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)劃1.1維平面內(nèi)各點(diǎn)的約束副由于超聲波在空氣中的傳播速度和風(fēng)速風(fēng)向密切相關(guān),且風(fēng)速是矢量,因此其可以分解為空間中相互垂直的3個(gè)分矢量。文中從實(shí)際需要出發(fā),只考慮測量平面內(nèi)的風(fēng)速,并認(rèn)為平面內(nèi)風(fēng)速就是實(shí)際風(fēng)速。設(shè)風(fēng)速在空間直角坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)上投影分量分別為vx、vy、vz;系統(tǒng)速度c可看為在平面坐標(biāo)系下的二維向量。設(shè)在坐標(biāo)原點(diǎn)(與系統(tǒng)速度矢量在二維平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)相)A(0,0,0)和x軸正方向上距離原點(diǎn)為d的點(diǎn)B(d,0,0)各放置一個(gè)收發(fā)一體式超聲波傳感器,A點(diǎn)發(fā)射的超聲波信號被B點(diǎn)接收,如圖1所示,其渡越時(shí)間為t1;同時(shí),B點(diǎn)發(fā)射的超聲波信號被A點(diǎn)接收,其渡越時(shí)間為t2;設(shè)從A點(diǎn)到B點(diǎn)為順風(fēng)風(fēng)向。則從A點(diǎn)到B點(diǎn)的風(fēng)速為vx=(d/t1-d/t2)/2-Cx(1)式中:vx為三維風(fēng)速在x坐標(biāo)的分量;d為相對傳感器的距離;t1、t2為信號的渡越時(shí)間;cx為系統(tǒng)速度在x坐標(biāo)的分量。從式(1)可以看出:只需測出順風(fēng)、逆風(fēng)條件下的渡越時(shí)間t1、t2以及此時(shí)系統(tǒng)自身的速度c和方向參數(shù)θ1,即可測出移動(dòng)情況下的風(fēng)速沿x軸方向的分量vx。同理可測得vy。這樣就可算得在平面內(nèi)的自然風(fēng)速v和風(fēng)向角θ為v=(v2xx2+v2yy2)1/2(2)式中v為平面內(nèi)風(fēng)速。θ=tan-2(vx/vy)±θ1(3)式中θ為自然風(fēng)向角;θ0為系統(tǒng)方向角。從式(2)可以看出風(fēng)速的測量中沒有包含傳統(tǒng)意義上影響風(fēng)速測量的重要因素:聲速(其數(shù)值隨著環(huán)境溫度的變化而變化),即避免了溫度對系統(tǒng)測量精度造成的影響。1.2傳感及工作原理該系統(tǒng)總體包括超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測量單元、載體速度測量單元、系統(tǒng)方向測定單元。系統(tǒng)采用s3c2440作為微控制器,其主頻可達(dá)533MHz(設(shè)計(jì)采用400MHz),定時(shí)器的輸入頻率可達(dá)50MHz及更高。超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測量單元采用具有較小聲阻抗、收發(fā)一體式傳感器FUS-200A,其諧振頻率為200kHz,不僅提高了測量精度,同時(shí)也避免了采用溫度補(bǔ)償對測量精度造成的影響。載體速度測量單元選用霍爾傳感器N1H-5C-70作為速度傳感器,并對信號的輸入輸出采取了整形隔離電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)方向測定單元選用電子羅盤FNN-3300作為方向測定單元的核心,并通過帶有隔離電路設(shè)計(jì)的SPI接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。S3c2440微控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,協(xié)調(diào)各部分電路的工作。系統(tǒng)的大致工作過程可簡述為:微控制器通過載體速度測量單元和系統(tǒng)方向測定單元獲得測量時(shí)間點(diǎn)的系統(tǒng)移動(dòng)速度和方位參數(shù)后,利用超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測量單元測量出三維空間里的三維風(fēng)速風(fēng)向參數(shù),并轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向參數(shù);經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)后參與系統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向修正計(jì)算,并通過網(wǎng)絡(luò)接口把數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī),同時(shí)在LCD顯示器上顯示,至此即完成一次測量任務(wù)。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1超聲波三維風(fēng)速測量單元風(fēng)速風(fēng)向測量單元設(shè)計(jì)采用6路同時(shí)發(fā)射,分別接收的電路設(shè)計(jì),以提升系統(tǒng)對瞬時(shí)風(fēng)速的測量準(zhǔn)確度。2.1.1鐵磁波脈沖變壓器電路設(shè)計(jì)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是功率的傳遞以及短時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)特性,在經(jīng)過后期試驗(yàn)后,系統(tǒng)采用EE20功率軟磁鐵氧體磁芯作為骨架,繞線徑為0.3mm,初、次級匝數(shù)比為9∶55的單端正激式脈沖變壓器作為功率傳輸中介,同時(shí),經(jīng)變壓器及相關(guān)電路的的阻抗匹配后,避免了采用電壓沖擊形式對超聲波傳感器帶來的額外噪聲影響,不僅提高了系統(tǒng)的電源功率利用率,同時(shí)提升了超聲波傳感器發(fā)射靈敏度和超聲波信號接收時(shí)的響應(yīng)靈敏度。2.1.2超聲波信號的到達(dá)時(shí)間控制為了提升系統(tǒng)對回波信號的分辨力,設(shè)計(jì)采用精密全波整流電路對回波信號進(jìn)行整流以提升系統(tǒng)對回波信號的分辨力。傳統(tǒng)獲得信號渡越時(shí)間的方法是將經(jīng)過檢波后的回波信號與一固定閾值的電平在一比較器電路中進(jìn)行比較,比較器輸出電平的翻轉(zhuǎn)時(shí)間就表示為信號的到達(dá)時(shí)間,但由于超聲波信號在傳輸過程中,會因?yàn)楣逃邪l(fā)散以及環(huán)境因素等造成接收端經(jīng)放大濾波后的信號在幅度上有一定程度的波動(dòng)。為了避免因此而帶來的測量誤差,采用不會因信號幅度波動(dòng)而產(chǎn)生變化的信號峰值時(shí)間點(diǎn)作為測量時(shí)間點(diǎn),即設(shè)計(jì)一峰值時(shí)間檢測電路來確定信號峰值時(shí)間點(diǎn)即超聲波信號的到達(dá)時(shí)間。在實(shí)際的運(yùn)行中,由微處理器控制發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)射一定數(shù)量的連續(xù)測量信號,接收端經(jīng)波形放大后,再經(jīng)濾波、整流、包絡(luò)檢波、峰值時(shí)間檢測后,輸出關(guān)于時(shí)間檢測的中斷電平,繼而由微控制器判斷出在固定距離下超聲波信號的渡越時(shí)間。由于該方法在原理上避免了信號幅度的變化引起的測量誤差。2.2速度傳感器載體速度測量單元采用的方法為脈沖式測速法。設(shè)計(jì)采用基于霍爾效應(yīng)的傳感器N1H-5C-70作為速度傳感器,原理為當(dāng)傳感器與車輪或船軸的相對旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生與輪軸轉(zhuǎn)速成正比的脈沖數(shù),再根據(jù)適當(dāng)比例調(diào)整單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù),從而換算得出載體的速度參數(shù)。由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在較大的電磁干擾,因此對信號的輸入輸出進(jìn)行了整形隔離。速度傳感器采集原理圖如圖3所示。系統(tǒng)方向測定單元?jiǎng)t采用可靠性較高的測向電子羅盤FNN-3300作為核心部件,通過設(shè)計(jì)帶有光電隔離電路的SPI接口與微控制器s3c2440相連接,不僅具有高精度的優(yōu)點(diǎn),尤其對于山區(qū)等測量地勢都具有較好的測量精度。3系統(tǒng)程序介紹由于系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的需求較高,因此系統(tǒng)整體上采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確性功能需求,同時(shí)考慮到系統(tǒng)簡便性,程序中使用了大量子程序,包括PWM子程序、延時(shí)子程序、系統(tǒng)速度及風(fēng)向測量子程序、數(shù)據(jù)校驗(yàn)子程序、風(fēng)速風(fēng)向計(jì)算子程序、LCD顯示子程序、通信子程序等。整個(gè)系統(tǒng)程序包括主控制模塊、信號發(fā)送和接收模塊、上位機(jī)通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等。主控制模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,采用調(diào)用原則進(jìn)行模塊的調(diào)入運(yùn)行。信號發(fā)送和接收模塊主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)超聲波電路發(fā)射超聲波信號以及超聲波信號的接收。上位機(jī)通信模塊則負(fù)責(zé)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信及擴(kuò)展。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示,在一次功能調(diào)用完成后,系統(tǒng)即轉(zhuǎn)入省電模式,使系統(tǒng)功耗進(jìn)一步降低。該測量系統(tǒng)是一種高分辨力的移動(dòng)式風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng),具有測量誤差不受風(fēng)速風(fēng)向強(qiáng)度變化及外部環(huán)境(雷電、低溫冰凍、高溫等)和沙塵氣候環(huán)境影響的突出優(yōu)點(diǎn)。由于風(fēng)速風(fēng)向測量單元在一定范圍內(nèi)達(dá)到了較高的測量精度,從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式情況下的高精度風(fēng)速風(fēng)向測量。選取的32位微控制器及高頻超聲波傳感器都具有性能高、功耗低的特點(diǎn),并且大大簡化了外圍接口電路的設(shè)計(jì)。從實(shí)際測量數(shù)據(jù)可以看出,所設(shè)計(jì)的測量誤差較小,完全能夠滿足使用要求,同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。4測試及通信軟件設(shè)計(jì)主要完成了移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測量單元、載體速度測量單元、方向測定部件與微控制器的連接等硬件模塊以及系統(tǒng)測量及通信等軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于移動(dòng)式情況下風(fēng)速風(fēng)向的
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2025年度茶藝館品牌合作全面合作協(xié)議4篇
- 綜合、專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案、現(xiàn)場處置與方案
- 二零二四醫(yī)院與學(xué)校聯(lián)辦臨床實(shí)習(xí)基地合作協(xié)議3篇
- 專業(yè)化2024波紋管買賣協(xié)議詳案版B版
- 2025年度旅游文化節(jié)攤位租賃及旅游產(chǎn)品推廣合同4篇
- 專項(xiàng)定向井技術(shù)支持與服務(wù)協(xié)議版B版
- 2025年跨境電商平臺產(chǎn)品代理銷售合同協(xié)議4篇
- 專業(yè)法律顧問服務(wù)協(xié)議(2024)3篇
- 專業(yè)技術(shù)員2024聘用合同
- 2025年度茶葉出口貿(mào)易代理合同8篇
- 不同茶葉的沖泡方法
- 光伏發(fā)電并網(wǎng)申辦具體流程
- 基本藥物制度政策培訓(xùn)課件
- 2025年中國華能集團(tuán)限公司校園招聘高頻重點(diǎn)提升(共500題)附帶答案詳解
- 建筑勞務(wù)專業(yè)分包合同范本(2025年)
- GB/T 45002-2024水泥膠砂保水率測定方法
- 廣東省廣州海珠區(qū)2023-2024學(xué)年八年級上學(xué)期期末數(shù)學(xué)試卷(含答案)
- 飛行原理(第二版) 課件 第10章 高速空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)
- 廣西《乳腺X射線數(shù)字化體層攝影診療技術(shù)操作規(guī)范》
- 山西省2024年中考道德與法治真題試卷(含答案)
- 五年(2020-2024)高考地理真題分類匯編(全國版)專題12區(qū)域發(fā)展解析版
評論
0/150
提交評論