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基于嵌入式系统的超声波气体泄漏检测仪的设计与研究

作 者: 张涛
导 师: 李业德
学 校: 山东理工大学
专 业: 计算机技术
关键词: 气体泄漏 超声波 嵌入式系统 C8051F120 快速付立叶变换 频谱分析
分类号: TP274.53
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


随着油气压力管道长线输送在我国的普及应用,人们对于压力管道运输的安全性、可靠性要求不断提高。管道泄漏检测作为保障管道安全的重要手段,越来越受到人们的重视。传统的管道气体泄漏检测手段,由于投资大、见效慢、维护费用高等原因,无法在我国得到普及应用。当前迫切需要研发一款先进的,实用的,适合我国国情的管道气体泄漏检测设备,以满足不同地区企业气体泄漏检测的需要。课题的目标是研制一套基于嵌入式系统超声波管道气体泄漏检测仪,能够完成现场由于高压气体管道泄漏所产生超声波的采集和处理,并将A/D转换后的数据进行快速傅立叶(FFT)变换,在液晶上显示其频谱特性。根据系统设计的总体要求,提出了采用基于嵌入式系统的设计方案。嵌入式系统的核心采用C8051F120微处理器,它是完全集成的混合信号级MCU芯片。该芯片能够很好的对超声波传感器所采集的信号进行分析和FFT运算。系统采用了模块化设计方案,主要分为信号采集、信号处理和液晶显示三大模块。硬件方面,简单介绍了电路中各元器件的特性,重点给出了此设计的详细过程及最终的实现电路,并分析了电路的工作原理。软件方面,重点介绍了A/D转换,FFT变换及Bresenham画线算法等程序设计。试验结果及精度分析方面,通过用空气压缩机模拟高压管道气体泄漏产生超声波的情况,对设备进行了测试,通过分析实验数据验证设计的合理性。课题在分析管道气体泄漏检测原理及传统检测手段的基础上,通过对比各类技术的优缺点最终确定了设计方案。系统设计中对高性能单片C8051F120应用、带通滤波器设计和图像处理等技术进行了深入研究。经过总体设计、硬件选型、电路设计、protel绘图、电路板制作、硬件连接、软件编程和标定测试等工作后,最终开发出了样机。用该样机对模拟管道气体泄漏产生的超声波进行检测,并将实验数据与专业检测设备测量值进行同步比对。研究发现,该样机具有测量准确、精度高、重复性良好等优点,并且使用方便、结果显示直观便于携带,具有一定的实用价值。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外管道泄漏检测研究状况  10-11
    1.2.1 国外相关研究状况  10
    1.2.2 国内相关研究状况  10-11
  1.3 论文的主要工作及创新点  11-12
    1.3.1 论文的主要研究工作  11-12
    1.3.2 论文的创新点  12
  1.4 论文的组织结构  12-13
第二章 管道泄漏检测方法及发声信号特性研究  13-26
  2.1 管道泄漏检测方法综述  13
  2.2 现代实时泄漏检测技术  13-16
    2.2.1 基于信号处理的检测方法  14-15
    2.2.2 基于管道数学模型的检测方法  15-16
    2.2.3 基于知识的方法  16
  2.3 方案论证  16-18
  2.4 声波的基本知识  18-19
  2.5 超声波特性研究  19-22
  2.6 气体泄漏超声波检漏原理  22
  2.7 声波检漏方法及在泄漏检测中的应用  22-24
  2.8 基于嵌入式系统的超声波气体泄漏检测可行性研究  24-25
  2.9 本章小结  25-26
第三章 超声波气体泄漏检测仪的整体设计方案  26-33
  3.1 系统测试的信号及其检测指标  26
  3.2 整体设计方案  26-27
  3.3 信号采集模块综合研究  27-29
  3.4 信号处理模块综合研究  29-30
  3.5 LCD显示模块综合研究  30-31
  3.6 编程语言的选择  31-32
  3.7 本章小结  32-33
第四章 超声波气体泄漏检测仪的硬件设计  33-56
  4.1 CPU的选型及介绍  33-40
    4.1.1 C8051F系列单片机简介  33-34
    4.1.2 微处理器的选型依据  34-35
    4.1.3 C8051F120微处理器的系统构成  35-37
    4.1.4 C8051F120存储器组织  37-38
    4.1.5 C8051F120模数转换功能  38-40
  4.2 超声波传感器的选择  40-43
    4.2.1 超声波传感器工作原理  41
    4.2.2 超声波传感器的系统构成  41-42
    4.2.3 超声波传感器的主要技术指标  42
    4.2.4 传感器接入部分电路设计  42-43
  4.3 信号调理电路设计  43-49
    4.3.1 信号放大电路设计  44
    4.3.2 信号强度调整电路设计  44-47
      4.3.2.1 模拟开关CD4052芯片介绍  45
      4.3.2.2 CD4052引脚功能说明  45-46
      4.3.2.3 CD4052通道选择真值表  46
      4.3.2.4 信号强度调整电路设计  46-47
    4.3.3 带通滤波电路设计  47-49
  4.4 液晶显示模块设计  49-50
  4.5 电源电路设计  50-55
    4.5.1 MA-756芯片介绍及电路设计  51-53
    4.5.2 AS1117芯片介绍及电路设计  53-55
  4.6 本章小结  55-56
第五章 超声波气体泄漏检测仪的软件设计  56-71
  5.1 模数转换技术  57-61
    5.1.1 A/D转换器的原理  57-58
    5.1.2 A/D转换器的技术指标  58-59
    5.1.3 逐次逼近式A/D转换器原理  59
    5.1.4 C8051F120模数转换引脚功能说明  59-60
    5.1.5 A/D转换关键代码  60-61
  5.2 FFT变换技术  61-63
    5.2.1 FFT变换的意义  61
    5.2.2 FFT变换实现代码  61-63
  5.3 液晶显示技术  63-70
    5.3.1 Bresenham画线原理及优化算法介绍  65-69
    5.3.2 LCD接口时序及电气参数说明  69-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章 实验结果及数据分析  71-77
  6.1 实验方法  71
    6.1.1 实验目的  71
    6.1.2 实验装置  71
  6.2 MAX756芯片升压稳压性能测试  71-72
  6.3 AS1117芯片降压稳压性能测试  72-74
  6.4 超声波信号采集变换性能测试  74-76
    6.4.1 超声波气体泄漏监测仪精确度和重复性测试  74-75
    6.4.2 超声波气体泄漏检测仪采集及转换信号能力测试  75-76
  6.5 本章小结  76-77
第七章 总结与展望  77-80
  7.1 总结  77-78
  7.2 展望  78-79
  7.3 本章小结  79-80
参考文献  80-83
致谢  83-84
硕士期间发表的学术论文  84-85
附录1  85-86
附录2  86

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 采用各种新技术的自动检测系统 > 超声波检测及其设备
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