基于超声波的风速风向仪研究与设计

发布时间：2023-07-01 11:08

　　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...

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
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



本文编号：3836142