超声波隧道风速测量技术研究

论文摘要

目前,我国公路隧道建设与日俱增,隧道安全运营问题显得越来越突出,隧道环境监测与控制成为公路隧道安全运行的重要课题。通风系统是隧道行车安全的重要保障,而风速值是通风系统调整工作状态的重要依据,隧道风速的实时检测有着非常重要的意义。本文主要研究超声波隧道风速实时检测技术,开发适用于隧道环境的风速仪。文中详细分析了超声波风速测量原理,建立了测量模型,提出了一种±180ο数字鉴相新方法。采用CPLD及AVR单片机完成了测量系统的设计和调试,并进行了实验验证。论文的主要工作包括以下几个方面:1:论述了基于超声波原理的风速测量技术,比较了超声波风速测量的各种方法,根据实际测量要求选择了相差法超声波风速测量方法。详细建立了相位差法测量的数学模型,为系统设计打下了坚实基础。2:利用建立的超声波相差法风速测量模型详细分析了测量误差来源和精度提高途径,优化设计了系统机械结构。3:设计制作了超声波发射和接收电路,并对电路性能进了实验。4:分析了鉴相精度提高的方法和数字鉴相的原理。创新设计了一种新的能实现±180ο数字鉴相器,并利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现了信号辨向和高精度相位检测。5:以单片机ATMEGA128和CPLD为核心,设计制作了风速仪测量系统电路,编制了风速仪软件,实现了风速测量,系统控制和RS232通讯。6:完成了风速仪整机制作,完成了整机性能调试和实验验证。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 常见的风速测量技术
• 1.2.1 机械式测量
• 1.2.2 皮托管测量
• 1.2.3 热膜热线测量
• 1.2.4 激光多普勒测量
• 1.2.5 超声波风速测量
• 1.2.6 各种风速测量技术的比较
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 测量原理及系统结构设计
• 2.1 测量原理
• 2.2 影响测量精度的因素和解决方法
• 2.2.1 传感器定位误差的影响
• 2.2.2 温度变化带来的影响
• 2.2.3 时间差Δt 的测量精度分析
• 2.3 系统结构
• 2.3.1 机械结构的优化
• 2.3.2 整体结构设计
• 2.3.3 需解决的主要技术问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 微处理器件的选择
• 3.1.1 CPU 的选择
• 3.1.2 CPLD 器件的选择
• 3.2 发射电路的设计
• 3.2.1 传感器的选择
• 3.2.2 振荡电路的设计
• 3.2.3 驱动电路的设计
• 3.3 接收模块的设计
• 3.3.1 接收模块设计要点
• 3.3.2 测试信号分析
• 3.3.3 运算放大器的选择
• 3.3.4 放大滤波电路设计
• 3.3.5 整形电路的设计
• 3.3.6 接收电路总图
• 3.4 温度采集电路
• 3.4.1 测温电桥
• 3.4.2 差动放大器
• 3.5 风速值输出格式转换
• 3.5.1 D/A 转换器的选择及外接电路的设计
• 3.5.2 V/I 转换电路
• 3.6 本章小结
• 第四章 数字鉴相
• 4.1 常见的鉴相方法
• 4.1.1 门电路鉴相
• 4.1.2 触发器鉴相
• 4.1.3 数字鉴相精度提高方法
• 4.2 ±180°高精度数字鉴相
• 4.2.1 ±180°鉴相模块的设计
• 4.2.2 高精度数字鉴相的实现
• 4.3 接口电路设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 程序设计
• 5.1 程序结构分析
• 5.1.1 EPM7128 中数字鉴相器的控制及数据采集
• 5.1.2 计算风速及格式转换
• 5.1.3 风速值与格式转换结果的输出
• 5.1.4 参数的存储与设置
• 5.2 子程序、中断程序
• 5.2.1 初始化
• 5.2.2 T/C1 溢出中断程序
• 5.2.3 参数的设置、存储和读取
• 5.2.4 风速值输出与格式转换结果输出
• 5.3 本章小结
• 第六章 系统调试及实验
• 6.1 常见的鉴相方法
• 6.2 接收电路的调试
• 6.3 高精度鉴相模块的测试
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢