检相式超声波风速变送器设计

摘要

我国能源目前仍以煤资源为主，而且随着经济社会的发展，煤炭资源需求量有增无减，煤矿安全生产的问题越来越显著，实时准确的检测煤矿井下环境参数十分重要。煤矿开采过程中，粉尘及瓦斯、一氧化碳等气体会不断积累，有害物质浓度不断增大，造成安全隐患。为了稀释矿井中的瓦斯等有害气体，及时向外排出粉尘，需要通过通风系统不断地向矿井下输送新鲜空气。因此，矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一，为决定通风时间和强度的标准。
　　本文提出了一种基于相位差法超声波定向风速测量系统设计方案，该系统以MSP430单片机为核心控制器，通过测量同等声程下超声波脉冲顺风和逆风传播信号的相位差，经模拟、数字电路转换为有效电压信号送至单片机处理，从而获得风速值。
　　本文在对各种检测风速方法总结和梳理的基础上确定了采用超声波相位差原理检测风速方法，对超声波探头配置方法等进行了比较分析，在此基础上建立了风速与相位差信号的数学模型，提出了温度补偿措施，完成了检相式超声波风速变送器系统设计。该系统硬件部分在设计上采用了模块化处理，设计了单片机系统电路、电源电路、超声波驱动的电路、信号处理电路、频率输出电路及连接故障报警电路等，完成PCB绘制，在此基础上进行了电路分块和整体调试。系统软件设计工作包括系统初始化、红外遥控标定、风速值数据处理、温度补偿、信息存储、数码显示等功能模块设计。在软硬件设计基础上，对整个系统在实验室和标准风洞下进行了测试，并对测试结果和测量误差进行了系统分析。
　　实测结果表明该变送器具有较高的测量精度、较宽的测量范围，结构尺寸较小、便与调试和安装，具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 风速检测相关领域发展状况

1．2．1 超声波检测技术发展状况

1．2．2 常用的风速检测技术

1．3 课题来源及主要研究内容

第2章 检相式超声波风速变送器总体设计

2．1 设计要求

2．2 设计方案

2．2．1 超声波传感器选型及配置方案

2．2．2 信号处理电路方案

2．2．3 检相电路方案

2．3 超声波风速检测原理

2．4 本章小结

第3章 硬件电路设计

3．1 硬件总体设计

3．2 单片机系统设计

3．3 系统电源电路设计

3．4 超声波传感器驱动电路设计

3．5 信号处理模块设计

3．6 标准频率输出及连接故障报警电路设计

3．7 硬件抗干扰设计

3．8 本章小结

第4章 系统软件设计

4．1 系统软件设计概述

4．2 遥控器解码程序设计

4．3 标定程序设计

4．4 风速数据处理程序设计

4．5 温度补偿程序设计

4．6 标准频率输出程序设计

4．7 信息存储程序设计

4．8 数码显示程序设计

4．9 软件抗干扰设计

4．10 本章小结

第5章 系统测试和误差分析

5．1 系统模块调试

5．2 风速值测试实验

5．2．1 实验室测试

5．2．2 标准风洞实验室测试

5．3 风速值测试误差分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢