基于超声波的风速风向仪研究与设计

论文摘要

近年来随着我国“一带一路”战略的推进,海洋成为了我国战略发展的重要组成部分,如何加强我国海洋监控能力成为了目前我国海洋研究的重点内容。海上风速、风向是海洋气象观测的重要组成部分。由于海洋环境伴随着高湿度、高盐份、高腐蚀性等特点,传统的机械式测风装置会显现出一定的局限性,主要体现在易磨损、精度低、迟滞性增强、维护成本高等方面。为避免传统测风仪的缺点,本文设计并研发了一款基于超声波的风速风向仪,利用超声波信号在风环境中传播速度的矢量叠加原理,选择时间差的方法测量出风速风向。本课题中硬件部分遵循模块设计原则,选择STM32F103处理器作为本设备的主控芯片,设计搭接了电源电路、超声波换能器驱动电路、信号放大电路、滤波比较电路、通讯电路、加热电路、陀螺仪校准电路等各类电路模块,捕捉不同环境下的超声波信号,采用时差法原理进行风速、风向的确定。软件开发环境为Keil uVision5,开发语言为C语言,融合了风速风向获取软件、加热控制软件、通讯软件、陀螺仪校准软件等在内的主要软件模块,完成对仪器整机的开发,实现海上风速风向的测量功能。考虑到海上环境的复杂性,舰船晃动和海水腐蚀会对风速风向仪造成一定的影响,对系统部件采取防护和抗干扰措施,提高设备寿命和数据准确度。最后对系统进行电路板外观测试、信号测试、以及风洞试验和EMC检测,通过各项测试可知、本款产品能适用于海上环境的风速风向数据的测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 课题来源及研究目标
•     1.3.1 课题来源
•     1.3.2 研究目标
•   1.4 本文写作组织与架构
• 第二章 系统基本原理介绍
•   2.1 超声波换能器介绍
•     2.1.1 超声波介绍
•     2.1.2 超声波换能器的选择
•   2.2 常见超声波测风方法介绍
•     2.2.1 互相关法
•     2.2.2 频率差法
•     2.2.3 相位差法
•   2.3 时差法分析
•     2.3.1 时差法测量原理
•     2.3.2 信号传播路径的选取
•   2.4 技术路线
•   2.5 本章小结
• 第三章 系统硬件电路设计
•   3.1 硬件系统整体架构设计
•   3.2 主控电路的设计
•   3.3 电源电路设计
•     3.3.1 24 V转12V稳压电路设计
•     3.3.2 24 V转±5V电源电路设计
•     3.3.3 5 V转3.3V电源电路设计
•   3.4 超声波信号发射电路的设计
•     3.4.1 发射信号选通电路设计
•     3.4.2 超声波换能器驱动电路设计
•   3.5 超声波信号接收电路的设计
•     3.5.1 接收信号选通电路设计
•     3.5.2 信号放大电路设计
•     3.5.3 带通滤波电路设计
•     3.5.4 信号整流及反相电路设计
•     3.5.5 信号比较电路设计
•   3.6 姿态校准电路设计
•   3.7 系统加热电路设计
•   3.8 系统通讯电路设计
•     3.8.1 RS-232 通讯电路设计
•     3.8.2 RS-485 通讯电路设计
•   3.9 系统可靠性设计
•   3.10 本章小结
• 第四章 系统软件设计
•   4.1 软件开发环境介绍
•   4.2 系统软件整体架构设计
•   4.3 风速风向测量软件设计
•     4.3.1 换能器收发控制过程实现
•     4.3.2 信号传播时间的获取
•     4.3.3 风速风向数据的计算
•   4.4 姿态校准的实现
•   4.5 加热电路控制软件的设计
•   4.6 通讯模块软件设计
•   4.7 本章小结
• 第五章 系统调试以及测试分析
•   5.1 电路板调试
•     5.1.1 电路板初始测试
•     5.1.2 电路板信号测试
•   5.2 风洞试验测试
•   5.3 电磁兼容性测试
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 作者攻读硕士学位期间获得的成果
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡全辉

导师: 张颖超,贺磊

关键词: 海洋气象,超声波,微处理器,时差法,陀螺仪

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,海洋学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P716.3

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000522

总页数: 72

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