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移动式超声波风速风向测量系统

作　者: 葛志鑫
导　师: 张自嘉
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 系统理论
关键词: 移动式超声波风速风向 LPC1768
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 185次
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内容摘要

风是一个重要的气象要素,研究移动式风速风向测量方法及系统设计,对于气象、航海、航空、风电、环境监测等领域具有重要意义。风包含有风速风向两个矢量参数。风速风向的测量方法主要有风向标、风杯、风轮、热线(球)和超声波等；超声波测风具有无运动部件、启动风速低、测量范围宽等优点。传统的测风仪器是基于基座固定条件下进行相关测量,当移动时其基座方位和速度将变化,风速、风向测量需根据基座速度和方位进行修正,才能得到实际(相对于地)的风参数,因此传统测风仪器无法满足移动式测风领域。论文设计了一种应用于移动条件下的风速风向测量仪器,可用于车载或船载,经适当改进可应用于海上基于浮标的风速风向测量。移动式超声波风速风向测量系统包括超声波风速风向测量、基座方位测量、基座速度测量,以及数据传输、显示等的软、硬件与相关的修正算法等。超声波风速风向测量利用3对超声波换能器完成风速风向测量,每对传感器可以对发或接收；利用集成式磁传感器实现基座方位测量,根据基座类型不同可采用不同的速度测量方法。为了降低相互干扰、减小整机体积,系统在硬件上将模拟部分与数字部分分开设计。在硬件实现上,分为三部分,由三块电路板：控制板、超声波发射板(高电压板)、超声波接收板构成,其中控制板和发射板为共用板,而接收板为每个传感器单独一块。控制板采用32位的微处理器1pc1768实现主控功能,以及完成超声波的发射时序控制、时差计算、参数修正、液晶显示、串行通信、人机交互等。超声波发射板主要产生超声波信号所需的较高电压和以及发射时序的控制电路,超声波接收板紧接于传感器安装,且体积尽量窄小,以降低传感器对风造成的阴影效应,从而完成超声信号的放大、滤波、整形等。为了提高测量精度系统采用了中心频率为200kHz的高频超声波传感器。设计研究与实验表明：所设计系统实现了移动条件下的风参数测量,可满足车载、船载及海上活动平台等的风速风向测量。在一定程度上实现了风速风向信息的智能化采集、管理及发布,大大适应了气象领域的工作需要,降低了应用成本；在车载自动气象站、船载等移动式风速风向测量领域具有广泛的应用前景和较高的应用价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-14
  1.1 引言  9-10
  1.2 研究历史及现状  10-11
  1.3 移动式超声波风速风向测量系统的实现方法  11-13
  1.4 课题的主要研究内容  13-14
第二章移动式超声波风速风向测量系统的理论基础  14-21
  2.1 移动式超声波风速风向测量基础  14-17
    2.1.1 超声波及超声波换能器  14-15
    2.1.2 霍尔传感器  15
    2.1.3 磁力传感器  15-17
  2.2 移动式超声波风速风向测量系统的基本原理  17-21
第三章移动式超声波风速风向测量系统总体设计  21-24
  3.1 系统总体设计方案总述  21-22
  3.2 移动式风速风向测量过程概述  22-24
第四章移动式超声波风速风向测量系统硬件电路设计  24-51
  4.1 主控芯片选择与简介  24-25
  4.2 超声波风速风向测量单元电路设计  25-38
    4.2.1 系统电源、时钟设计  25-27
    4.2.2 超声波驱动电路设计  27-30
    4.2.3 信号接收电路设计  30-35
    4.2.4 串行通信接口  35-37
    4.2.5 EEPROM、Flash通信电路  37-38
  4.3 基座速度测量单元电路设计  38-41
  4.4 基座方位测定单元电路设计  41-46
  4.5 人机交互接口电路设计  46-48
    4.5.1 按键接口电路  46
    4.5.2 液晶显示通信接口  46-48
  4.6 JTAG调试接口电路设计  48-49
  4.7 PCB布线  49-51
第五章移动式超声波风速风向测量系统软件设计  51-72
  5.1 软件开发架构  53-56
    5.1.1 CMSIS软件架构介绍  53-54
    5.1.2 CMSIS文件结构及规范  54-56
  5.2 RealView MDK开发环境  56
  5.3 系统初始化  56-58
  5.4 超声波风速风向单元测量软件设计  58-60
  5.5 渡越时间软件设计  60-62
  5.6 显示软件设计  62-63
  5.7 串口通信软件设计  63-72
    5.7.1 12C串口通信  63-69
    5.7.2 UART串口通信子程序  69-72
第六章调试结果与误差分析  72-76
  6.1 调试结果  72-74
  6.2 误差分析  74-76
第七章结束语  76-78
  7.1 总结  76-77
  7.2 展望  77-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
攻读硕士学位期间的科研成果  82-83
附录  83-84

移动式超声波风速风向测量系统

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