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基于时差法的超声波测量模型设计与仿真

苗燕  
【摘要】:随着工业现代化的快速推进,环境问题的日趋严峻和化石能源的日益枯竭都在警醒人类需要在自然界寻找可再生能源来替代化石能源。可再生能源中风能资源因其储量大、二氧化碳排放量低等优点,成为目前众多可再生能源中发展速度最快的一种。风能不但可以作为可再生能源造福人类,而且对风能的有效观测在环境监测和防灾减灾中也有很重要的作用。同时风速风向作为气象监测的主要要素,对它们的实时掌握,不仅能够给气象监测提供有利的数据,而且还可以及时准确地掌握风信息的变化情况,对气象监测以及预防事故的发生有着十分重要的意义。因此,制备测量精度高,性能稳定的测风仪器显得尤为重要。超声波风速风向传感器凭借其不会产生机械磨损和拥有较高测量精度等优势,成为风速风向测量仪器研究的一个发展方向。本文通过对多种测风技术的对比,概括了几种常用测量方法的优缺点,并在此基础上构建了一种时差法超声波风速风向测量传感器。同时根据时差法原理,设计了测量风速风向的模型,随后对超声波风速风向测量公式进行推导。在硬件电路方面,本文采用了模块化设计,选择了低功耗的STM32作为处理芯片的同时设计了外围电路,随后选取了200KHz的超声波换能器,设计了超声波回波信号放大处理电路和依靠超声波换能器驱动的发射电路,同时对设计的部分电路进行了仿真实验,以验证其可行性。为了保证系统的精确度,本文在设计中选择了计时精度可以达到22ps的TDC-GP22芯片作为时间测量芯片。在本文中用KEIL软件对各部分代码进行编码调试,软件设计部分包括如下内容:开发环境的介绍,初始化子程序、通讯子程序、超声波驱动发射及接收子程序分析,还有TDC-GP22寄存器的配置。用小波阈值将实验得到的风速数据进行降噪,使得到的风速信号更加精确,同时对风洞实验数据做最小二乘法拟合,得到可供参考的最优风信号值。实验结果表明:测量精度达到先进水平,风速测量精度能够达到?0.5 m/s(风速?10 m/s)或者测量值的5%(风速10 m/s),风向测量精度能达到?2?。


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