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流速仪数据采集系统的设计与研究

作　者: 高阳
导　师: 刘震
学　校: 东北大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 流速仪数据采集信号调理误差分析通信协议数控电源
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 3次
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内容摘要

数据采集系统是流速仪检定系统的一个重要组成部分,能否准确的测量流速仪的转率是完成流速仪检定任务的关键因素之一。流速仪数据采集的关键是,在硬件上运用各种抗干扰的措施,减少甚至消除各种干扰；在算法上,运用不同的计算方法和计算时间对各种输入波形进行滤波和计数。本文在广泛了解国内外流速仪检定系统的标准和设计,根据设计要求,分别从硬件和算法对流速仪数据采集系统做出了设计。首先,借鉴国内已建成的系统和项目的设计要求确定数据采集系统的设计方案,设计了基于单片机的嵌入式系统并进行硬件的选型,包括采集板上单片机、通信接口、信号调理电路所需的器件；其次,以提高采集精度为目标,分析了信号采集的难点,分别对水电阻干扰、尖峰干扰、抖动干扰设计了信号调理电路,并对不同的速度段采用不同的软件滤波方法,对测频法和测周法进行误差分析和比较,确定在不同速度区间使用不同的计数方法,提高了采集的精度；采用最小二乘法进行数据的处理,达到检定的要求,同时设计并用C语言编写了单片机数据采集程序和流速仪与上位机的通信协议；考虑到某些型号的流速仪对输入电源电压幅值有特殊要求,设计了基于单片机输出PWM信号的数控直流可调电源,着重介绍电路的设计和参数的计算。在仿真中,对第3章中的信号调理电路的硬件去干扰功能进行仿真,验证其有效性；对计数方法中的测频法和测脉宽法进行仿真,验证了两种计数方法的适用性和正确性；对最小二乘法进行仿真,验证了二阶算法对于系统的合理性,对ASCII通信协议进行实验,验证其可行性；对数控直流电源进行仿真,验证设计的合理性和可行性。该数据采集系统较国内之前的辽宁流速仪检定系统相比,可以准确的采集型号更多的流速仪的型号,在信号的电压波形的处理方式上更加丰富,通信系统的流畅度和合理性得到加强。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-12
第1章绪论  12-16
  1.1 论文课题背景与研究意义  12
  1.2 流速仪检定系统的国内外发展现状  12-14
  1.3 数据采集的发展现状  14
    1.3.1 流速仪数据采集的发展现状  14
    1.3.2 数据采集的技术要点  14
  1.4 课题的来源和任务  14-15
  1.5 本文的主要工作和章节安排  15-16
    1.5.1 主要工作  15
    1.5.2 章节安排  15-16
第2章流速仪检定系统的总体设计  16-24
  2.1 流速仪的种类及检定原理  16-18
    2.1.1 转子式流速仪的种类  16-17
    2.1.2 流速仪检定原理  17-18
  2.2 流速仪检定系统的组成  18-22
    2.2.1 控制系统  18-19
    2.2.2 流速仪检定车运行系统  19-20
    2.2.3 数据采集系统  20-22
  2.3 本章小结  22-24
第3章基于最小二乘法的曲线拟合及转率测量的误差分析  24-42
  3.1 流速仪转率测量的设计要求  24-25
  3.2 流速仪信号采集的难点  25-26
  3.3 流速仪数据采集的干扰分析及解决方法  26-33
    3.3.1 水电阻对流速仪信号的影响  26-27
    3.3.2 抖动对流速仪信号的影响  27-30
    3.3.3 信号的隔离和尖峰信号的滤除  30-31
    3.3.4 流速仪信号调理电路的硬件设计  31-32
    3.3.5 流速仪信号调理的软件滤波  32-33
  3.4 流速仪采集的误差分析  33-36
    3.4.1 测频法的误差分析  33-35
    3.4.2 测脉宽法的误差分析  35-36
  3.5 最小二乘法在流速仪数据处理中的应用  36-40
    3.5.1 流速仪的检定曲线  37
    3.5.2 中高速段最小二乘法的线性拟合  37-38
    3.5.3 低速段的最小二乘法的非线性拟合  38-40
  3.6 本章小结  40-42
第4章流速仪数据采集模块的设计  42-70
  4.1 数据采集模块的组成  42-43
  4.2 数据采集模块的硬件组成  43-45
    4.2.1 AT89S52单片机  43
    4.2.2 数据采集接口的设计  43-45
  4.3 与上位机通信的设计  45-52
    4.3.1 通信方案的选择  45-48
    4.3.2 通信电路的硬件设计  48-49
    4.3.3 单片机的串行通信接口  49-52
  4.4 数据采集模块的程序设计  52-54
    4.4.1 软件的设计原则  52
    4.4.2 数据采集系统的主程序  52-54
  4.5 通信协议的设计  54-61
    4.5.1 PLC读写数据发送命令格式  54-55
    4.5.2 单片机应答格式  55
    4.5.3 通信协议的实现流程  55-61
    4.5.4 参数设置程序  61
  4.6 计数模块程序  61-65
    4.6.1 测频子程序  62-63
    4.6.2 测周子程序  63-64
    4.6.3 转率计算子程序  64-65
  4.7 数据上传程序  65-69
    4.7.1 UART初始化  65
    4.7.2 数据转换程序  65-66
    4.7.3 串口中断程序  66-67
    4.7.4 异或和校验  67-68
    4.7.5 串口发送数据子程序  68
    4.7.6 单片机发送应答指令子程序  68-69
    4.7.7 PLC读转率数据发送子程序  69
  4.8 本章小结  69-70
第5章流速仪数据采集模块的数控直流电源的设计  70-78
  5.1 数控直流电源的设计要求  70
  5.2 直流电源设计的理论基础  70-72
    5.2.1 开关电源及其分类  70-71
    5.2.2 LM317稳压芯片  71-72
  5.3 数控直流电源的电路设计  72-77
    5.3.1 数控直流电源的设计思路  72-73
    5.3.2 数控直流电源的电路组成  73
    5.3.3 电源模块  73-74
    5.3.4 PWM控制电路  74-77
  5.4 本章小结  77-78
第6章流速仪数据采集系统的仿真研究  78-90
  6.1 数据采集模块的电路仿真  78-81
    6.1.1 水电阻的处理仿真  78-79
    6.1.2 电气隔离仿真  79-81
    6.1.3 去抖动电路仿真  81
  6.2 数据采集模块的计数功能仿真  81-85
    6.2.1 测频法仿真  82-84
    6.2.2 测周法仿真  84-85
  6.3 最小二乘法的仿真验证  85-87
  6.4 单片机的通信协议验证  87-88
  6.5 数控直流电源的仿真  88-89
  6.6 本章小结  89-90
第7章总结与展望  90-92
  7.1 本文主要研究成果  90
  7.2 工作展望  90-92
参考文献  92-94
致谢  94

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