基于STM32的超声波除垢系统研究

发布时间：2017-10-14 23:45

  本文关键词：基于STM32的超声波除垢系统研究

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【摘要】：本文鉴于目前功率超声在污垢清理中应用的一些不足,分析了一种利用超声波检测技术实现对污垢厚度检测的理论分析和实验系统,从而达到将超声波检测与超声波除垢二者结合,共同完成对智能化清理污垢的系统设计。超声波除垢部分采用程控电源设计的方法,包括STM32F103RBT6处理器单元、全波整流电路、半桥逆变电路、换能器阻抗匹配网络等电路。处理器最大时钟为72MHz,可在较宽范围产生两路PWM控制信号,经移相器完成对两路PWM控制信号的相位处理,再经信号隔离电路实现对半桥逆变电路IGBT开关管的控制,从而得到高频高压交流信号,最终输出至已经阻抗匹配的超声波除垢振动设备上。其中,在电路设计时,采用220V交流电作为输入电压,在除垢系统的输入级充分考虑了电路抗雷击与浪涌信号干扰问题,在EMI电路处理中采用了目前大功率电源设计中常用的电路方式,同时,对使用人员的生命保护,输入级电路也做了充分的考虑。超声波检测的发射级是利用大电容充放电原理,借助高速场效应管的开关效应作为超声波检测探头的发射端驱动电路。文章分析了两种应用于污垢厚度检测的方法,一种是利用超声波反射法,通过检测发射端超声波信号经被检测污垢的管道壁反射时间与超声波穿透污垢后反射的回波信号时间点的差值,作为计算污垢厚度的时间值,利用时间与超声波在污垢中的传播速度之积的一半作为最终的污垢厚度。第二种方法是利用超声波穿透被检测装置的波折射原理,在被检测装置的两侧分别安装超声波发射探头和检测探头,利用该原理,推演出最终被检测装置内部的污垢厚度。本文分别介绍了除垢振动子系统和超声检测子系统的设计思路。针对目前在超声波除垢系统中需要利用割管等带有破坏性方式实现污垢层结构分析和除垢的问题,本文提出了在线检测的方法,该方法对管道本身几乎没有破坏性,且不会影响设备的正常运行。同时,在超声波除垢过程中,由于无法实时获取被检测装置内部污垢分布情况,从而造成超声波的过度清理或清理不净的问题,本文的设计理念将有效克服该弊端。避免过度除垢,一方面降低换能器对管道壁本身的伤害,从而有效的延长了管道和除垢装置的使用寿命;另一方面也减少了除垢时无效功率的输出,节约了电能。本文的设计理念,无论是从科研探索角度,还是从市场的实用价值与推广价值角度分析,都具有非常重要研究意义。
【关键词】：STM32F103RBT6 PWM 超声波检测 超声波除垢 EMI
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB559
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 超声波污垢检测与除垢概述11-14
• 1.1.1 超声波技术基础介绍11-12
• 1.1.2 超声波除垢与检测系统的工业应用12-14
• 1.2 课题的研究背景及意义14-15
• 1.3 国内外研究现状和发展趋势15-18
• 1.4 本课题主要探讨内容和方向介绍18-19
• 1.4.1 本课题主要组成18
• 1.4.2 主要研究内容18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第2章 超声波污垢检测与除垢系统方案设计20-30
• 2.1 超声波污垢检测系统20-22
• 2.1.1 超声波污垢检测探头介绍20-21
• 2.1.2 超声波污垢检测方案设计21-22
• 2.2 污垢检测系统常用方法22-23
• 2.2.1 超声波测厚共振检测法22
• 2.2.2 超声波测厚透射检测法22
• 2.2.3 超声波脉冲时域反射法22-23
• 2.3 超声波除垢系统方案设计23-24
• 2.4 超声波换能器24-28
• 2.4.1 压电换能器24-25
• 2.4.2 压电换能器特性分析25-26
• 2.4.3 磁致伸缩换能器26-27
• 2.4.4 磁致伸缩换能器特性分析27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第3章 超声波除垢系统硬件设计30-49
• 3.1 系统硬件设计概述30-32
• 3.1.1 主处理器特性介绍30-31
• 3.1.2 系统硬件设计框图31-32
• 3.2 除垢振动子系统电路设计与分析32-43
• 3.2.1 供电电源电路设计与分析32-34
• 3.2.2 整流滤波电路设计与分析34-35
• 3.2.3 IGBT半桥逆变电路设计与分析35-37
• 3.2.4 换能器匹配网络设计与分析37-39
• 3.2.5 电流检测电路设计与分析39
• 3.2.6 系统控制电路设计与分析39-42
• 3.2.7 系统保护电路设计与分析42-43
• 3.3 污垢检测子系统电路设计与分析43-45
• 3.3.1 超声波发射电路设计与分析43-44
• 3.3.2 回波接收电路设计与分析44-45
• 3.4 回波数据转发电路设计与分析45-48
• 3.4.1 基于GPRS数据流转发电路设计与分析45-46
• 3.4.2 基于以太网数据流转发电路设计与分析46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 超声波除垢系统软件设计49-58
• 4.1 污垢检测子系统软件设计49-50
• 4.1.1 污垢检测发射端软件设计49-50
• 4.1.2 回波信号接收端软件设计50
• 4.2 超声波除垢振动子系统软件设计50-53
• 4.2.1 超声波程控电源软件设计50-51
• 4.2.2 除垢振动子系统软件设计51-53
• 4.3 回波数据转发软件设计53-57
• 4.3.1 基于GPRS数据转发软件设计53-55
• 4.3.2 基于以太网数据转发软件设计55-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 检测方案算法介绍与数据分析58-65
• 5.1 超声波反射算法58-59
• 5.2 超声波透射算法59-61
• 5.3 实验数据分析61-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第6章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65-66
• 6.2 展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-72
• 附录72

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本文编号：1033875