基于GPS同步的多声道超声波明渠流量测量方法的研究
发布时间：2022-01-07 16:14
由于超声波流量计具有结构简单、非接触测量和易于实现集成化等特点,使其在工农业生产、医疗检测及环境监控等领域,涉及到气体或液体的量化与计量方面有着巨大的应用价值和广泛的应用前景。本文针对明渠流量这一特殊的测量对象,设计了一种基于GPS同步的多声道超声波明渠流量测系统进行无线化流量计量。测量系统以时差法为基本测量原理,针对一般的明渠流量计声道数少,线缆长的缺点,提出了一种结合GPS高精度秒冲同步控制多声道与使用基于LoRa协议的无线串口模块实现无线化的流量测量方法。设计了移动正弦拟合算法对超声波传感信号进行直接数字处理,准确获取渡越时间。给出了流量测量系统所必须的软硬件设计。本文的主要研究内容如下:首先,详细介绍了多声道超声波流量计的测量原理以及时差法测流速的相关公式推导,提出了基于GPS秒脉冲同步的多声道超声波明渠流量测系统的总体方案设计。第二,设计了流量测量系统的硬件电路,主要包括STM32单片机的选型和功能介绍、超声发射电路、超声接收电路、声道切换电路、稳压电路、外设模块电路的设计以及系统所涉及的各芯片进行选型。第三,将整体测量系统分为上位机与下位机两部分,上位机负责显示测量数据,发...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 选题依据及背景
1.2 课题研究的目的及意义
1.3 超声流量计的国内外研究现状
1.4 论文的主要研究内容与章节安排
第2章 多声道超声波明渠流量测量方法研究
2.1 多声道时差法测流量的测量原理
2.2 主要器件选型
2.2.1 超声换能器
2.2.2 GPS模块
2.2.3 无线串口模块
2.3 测量系统原理及总体方案设计
2.3.1 测量系统原理
2.3.2 测量系统总体方案设计
2.4 本章小结
第3章 测量系统的硬件电路设计
3.1 系统硬件整体框架
3.2 主控芯片的选型与简介
3.3 超声发射电路的设计
3.4 超声接收电路的设计
3.5 声道切换电路的设计
3.6 稳压电路的设计
3.7 外设模块电路的设计
3.8 本章小结
第4章 测量系统的软件设计
4.1 整体测量流程主程序设计
4.1.1 单片机系统C的主程序设计
4.1.2 激励信号的产生
4.1.3 采集模块的配置
4.1.4 单片机系统A、B的主程序设计
4.2 系统通讯指令的设计
4.3 上位机设计
4.3.1 上位机的开发环境
4.3.2 上位机的界面设计与功能说明
4.4 根据绝对特征点获取渡越时间的移动正弦拟合算法
4.4.1 渡越时间与绝对特征点的关系
4.4.2 移动正弦拟合算法提取绝对特征点的过程
4.5 本章小结
第5章 测量系统的实验测试与分析
5.1 实验装置与实验环境
5.2 实验调试
5.2.1 发射电路与接收电路调试
5.2.2 移动正弦拟合算法标定实验
5.2.3 单声道测量系统改造
5.3 实验结果分析
5.4 减小系统测量误差的方法
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
附录
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果
附录2 单片机系统原理图与PCB图
附录3 实验相关图片
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多普勒超声波流量计的城市河渠流速测量研究[J]. 潘凌,武治国,张春萍,沈海超,陈银,张家铨,毛红梅. 水利水电快报. 2019(08)
[2]大型引黄灌区超声波流量计的改进与应用[J]. 史中兴,张师玮,张彦蕊,于金文. 排灌机械工程学报. 2018(12)
[3]时差式超声流量计单声道结构分析[J]. 陈国宇,刘桂雄. 中国测试. 2018(03)
[4]基于相关和Hilbert变换的科氏流量计相位差估计方法[J]. 沈廷鳌,李明,李华南,张起欣. 仪器仪表学报. 2017(12)
[5]双声道超声波明渠流量计设计[J]. 李忠虎,岳兰娇. 工业控制计算机. 2017(06)
[6]超声污水流量测量的数学建模及影响因素分析[J]. 任增强,李跃忠,钱永安. 山西大同大学学报(自然科学版). 2017(02)
[7]多声道气体超声流量计的研究[J]. 李小京,邢天龙. 传感器与微系统. 2016(11)
[8]“速度差法”超声波流量计在电厂中的应用[J]. 刘鹿,解明杰. 河北电力技术. 2015(S1)
[9]超声波流量计的应用与前景[J]. 王贤妮,宋财华. 工业计量. 2015(06)
[10]浅谈超声换能器的发展与应用[J]. 朱学耕. 科技展望. 2015(20)
硕士论文
[1]多声道多普勒超声波污水流量测量技术研究[D]. 任增强.东华理工大学 2017
[2]基于高频超声的液体流量测量机理及方法研究[D]. 方宜兵.燕山大学 2016
[3]皮秒级TDC超声波流体测量技术的研究及实现[D]. 王贤妮.南昌大学 2013
[4]一种改进型明渠流量计系统低功耗的研究[D]. 王龙山.太原理工大学 2013
[5]夹心式压电超声换能器设计及其振动性能研究[D]. 梁松.东北大学 2011
[6]智能明渠流量传感器的研究[D]. 刘伟光.山东科技大学 2011
[7]板式数字流量计的低功耗设计与无线射频通信系统的研究[D]. 段臣杰.太原理工大学 2009
本文编号：3574857
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 选题依据及背景
1.2 课题研究的目的及意义
1.3 超声流量计的国内外研究现状
1.4 论文的主要研究内容与章节安排
第2章 多声道超声波明渠流量测量方法研究
2.1 多声道时差法测流量的测量原理
2.2 主要器件选型
2.2.1 超声换能器
2.2.2 GPS模块
2.2.3 无线串口模块
2.3 测量系统原理及总体方案设计
2.3.1 测量系统原理
2.3.2 测量系统总体方案设计
2.4 本章小结
第3章 测量系统的硬件电路设计
3.1 系统硬件整体框架
3.2 主控芯片的选型与简介
3.3 超声发射电路的设计
3.4 超声接收电路的设计
3.5 声道切换电路的设计
3.6 稳压电路的设计
3.7 外设模块电路的设计
3.8 本章小结
第4章 测量系统的软件设计
4.1 整体测量流程主程序设计
4.1.1 单片机系统C的主程序设计
4.1.2 激励信号的产生
4.1.3 采集模块的配置
4.1.4 单片机系统A、B的主程序设计
4.2 系统通讯指令的设计
4.3 上位机设计
4.3.1 上位机的开发环境
4.3.2 上位机的界面设计与功能说明
4.4 根据绝对特征点获取渡越时间的移动正弦拟合算法
4.4.1 渡越时间与绝对特征点的关系
4.4.2 移动正弦拟合算法提取绝对特征点的过程
4.5 本章小结
第5章 测量系统的实验测试与分析
5.1 实验装置与实验环境
5.2 实验调试
5.2.1 发射电路与接收电路调试
5.2.2 移动正弦拟合算法标定实验
5.2.3 单声道测量系统改造
5.3 实验结果分析
5.4 减小系统测量误差的方法
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
附录
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果
附录2 单片机系统原理图与PCB图
附录3 实验相关图片
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多普勒超声波流量计的城市河渠流速测量研究[J]. 潘凌,武治国,张春萍,沈海超,陈银,张家铨,毛红梅. 水利水电快报. 2019(08)
[2]大型引黄灌区超声波流量计的改进与应用[J]. 史中兴,张师玮,张彦蕊,于金文. 排灌机械工程学报. 2018(12)
[3]时差式超声流量计单声道结构分析[J]. 陈国宇,刘桂雄. 中国测试. 2018(03)
[4]基于相关和Hilbert变换的科氏流量计相位差估计方法[J]. 沈廷鳌,李明,李华南,张起欣. 仪器仪表学报. 2017(12)
[5]双声道超声波明渠流量计设计[J]. 李忠虎,岳兰娇. 工业控制计算机. 2017(06)
[6]超声污水流量测量的数学建模及影响因素分析[J]. 任增强,李跃忠,钱永安. 山西大同大学学报(自然科学版). 2017(02)
[7]多声道气体超声流量计的研究[J]. 李小京,邢天龙. 传感器与微系统. 2016(11)
[8]“速度差法”超声波流量计在电厂中的应用[J]. 刘鹿,解明杰. 河北电力技术. 2015(S1)
[9]超声波流量计的应用与前景[J]. 王贤妮,宋财华. 工业计量. 2015(06)
[10]浅谈超声换能器的发展与应用[J]. 朱学耕. 科技展望. 2015(20)
硕士论文
[1]多声道多普勒超声波污水流量测量技术研究[D]. 任增强.东华理工大学 2017
[2]基于高频超声的液体流量测量机理及方法研究[D]. 方宜兵.燕山大学 2016
[3]皮秒级TDC超声波流体测量技术的研究及实现[D]. 王贤妮.南昌大学 2013
[4]一种改进型明渠流量计系统低功耗的研究[D]. 王龙山.太原理工大学 2013
[5]夹心式压电超声换能器设计及其振动性能研究[D]. 梁松.东北大学 2011
[6]智能明渠流量传感器的研究[D]. 刘伟光.山东科技大学 2011
[7]板式数字流量计的低功耗设计与无线射频通信系统的研究[D]. 段臣杰.太原理工大学 2009
本文编号：3574857
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