基于ESP32的海气界面风速风向测量系统研发

论文摘要

风速风向作为重要的海气界面观测要素,在海洋气象观测、资源勘探及国家海洋环境可持续发展战略中扮演重要角色。近年来超声波风速风向测量的应用越来越广泛,然而国产超声波测风仪在布局合理性、运行稳定性、测量精度等方面有待提高。为此,本文基于ESP32研发了一套整体结构较为合理、测量精度高、稳定可靠、开放功能强、体积小、环境适应性强的海气界面风速风向测量系统。本系统采用时间差法测风原理,在整体结构布局、硬件设计、软件设计、实验调试等方面做了以下工作:首先在整体结构布局上进行优化,将换能器通过V型内嵌式的方法进行安装,并计算换能器的延迟时间,降低了外界环境对系统测量精度的影响。其次在软硬件设计方面,本系统采用功能强大的ESP32作为主控芯片,通过移植开源的实时操作系统FreeRTOS,实现了对每个硬件模块的系统调用,提高了系统的时间响应和运行稳定性;采用数字一阶低通滤波算法对测量数据进行处理,进一步提高了风速风向实时值的测量精度;设计了WiFi驱动程序,实现了WiFi无线传输功能,运用c#编写了一套简洁的上位机界面,可对风速风向实时值进行数据—图像转换,实现了远距离实时动态显示。通过实验室调试、风洞标定以及户外对比等大量实验,验证了本文设计的风速风向测量系统具有运行良好、性能稳定、测量精度较高、环境适应性较强等特点,符合海洋环境下的设计及测量指标,具有一定的理论意义和应用价值。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 风与海气界面相互作用之间的关系

1.1.2 海气界面风速风向的观测途径

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容及章节组织安排

第二章海气界面的风速风向测量原理及方法

2.1 风速风向测量原理

2.1.1 风速测量原理及方法

2.1.2 风向测量原理及方法

2.2 超声波风速风向测量原理

2.2.1 超声波换能器简介

2.2.2 超声波测风方法的分析与比较

2.3 时间差法超声波测风原理的误差分析

2.4 本章小结

第三章需求分析与系统总体方案设计

3.1 系统设计的预期目标

3.1.1 预期测量技术指标

3.1.2 海气界面环境下的观测要求

3.2 硬件设计需求

3.2.1 超声波换能器的安装结构方式选择

3.2.2 处理器的设计需求

3.3 软件设计需求

3.3.1 超声波信号发射及接收的控制程序设计需求

3.3.2 信号处理的程序设计需求

3.3.3 主控芯片及上位机界面的程序设计需求

3.4 系统总体方案设计

3.4.1 超声波测风仪的基本结构设计

3.4.2 系统总体构成

3.5 本章小结

第四章系统的硬件设计与实现

4.1 系统硬件整体介绍

4.2 ESP32的最小系统电路

4.2.1 电源电路

4.2.2 Flash电路

4.2.3 晶振电路

4.2.4 UART电路

4.2.5 外置电容电路

4.3 ESP32 WiFi模块

4.4 超声波发射接收电路

4.5 滤波放大电路

4.6 本章小结

第五章系统的软件设计与实现

5.1 软件设计概述

5.2 ESP32的FreeRTOS移植和驱动开发

5.2.1 FreeRTOS操作系统概述

5.2.2 基于ESP32的FreeRTOS操作系统移植

5.2.3 基于数字一阶低通滤波算法的测量工作程序设计

5.2.4 系统外设驱动开发

5.3 ESP32串口程序设计

5.4 上位机程序、界面和流程

5.4.1 上位机程序

5.4.2 界面和流程

5.5 本章小结

第六章实验结果分析

6.1 实验室环境下调试

6.2 风洞验证及对比实验

6.3 户外环境对比实验

6.4 实验结果分析总结

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王威栋

导师: 张牧,曾育

关键词: 海气界面观测,超声波,时间差法

来源: 天津工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,海洋学

单位: 天津工业大学

分类号: P714.2

总页数: 77

文件大小: 5326K

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