基于CAN总线的超声波风速测量系统.pdf下载分享
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资料简介
本文深入探讨了基于CAN总线的超声波风速测量系统的研发背景、技术原理及应用前景。传统风速测量设备存在精度低、适用温度范围窄等问题，难以满足现代军事、风场监测等领域的需求。随着检测技术和智能化需求的发展，超声波风速测量系统以其高精度、大范围、智能化等特点脱颖而出。文章详细介绍了该系统的硬件设计、软件架构及其实现方法，为相关领域的研究人员提供了宝贵的参考。
文件名称：基于CAN总线的超声波风速测量系统.pdf
文件类型：PDF文档
文件标签：超声波风速测量、CAN总线、智能测量系统
内容预览
哈尔滨Ｉ：程人学硕十学位论文
经很难满足使用要求；测量精度较低，最高精度为２％，即误差
巧＝５０× ２％＝１ｍ／ｓ；工作适用温度范围小，不适合军事应用、风场监测以及
北方地区的室外测量。
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图１．２
ＡＶＭ．０１／ＡＶＭ－０３型叶轮风速仪
图１．３热线式风速计ＫＡ２２
／厨邕
哈尔滨１：稃大学硕十学位论文
随着检测技术的发展，对设备智能化的需求，以及现代战争节奏的迅速
性、突击性强的特点，人们对风速测量提出了更高的要求。阳１。传统的仪器已
经不能满足要求，研究快速、高精度、大量程、智能化、持续工作时间长的
风速测量系统是很有必要的。
１．２国内外的研究现状
热线式、热膜式风速计在风速测量中占据重要地位。热线风速计的诞生
已有百年历史，其原理性实验是１９０２年由Ｓｈａｋｅｐｅａｒ在伯明翰完成的。到１９０９
年，Ｋｅｎｎｅｌｈｙ等人及Ｒｉａｂｏｕｃｈｉｎｓｋｙ先后提出了电子风速计概∥叫Ⅲ。１９１４年
Ｋｉｎｇ提出了无限长线和流体之间的热对流理论，推出了著名的Ｋｉｎｇ公式，
这就奠定了热线风速计的理论基础。它是利用热平衡原理，通过放置在流场
中具有加热电流的细金属丝来测量风的速度。
上世纪七十年代中期，数字处理技术的发展，大大地扩展了热线热膜风
速计的信号分析能力¨ １１。进入八十年代，随着硅微机械加工技术的成熟，人
们开始将其应用于风速及风向的测量，其成熟技术使得风速计很方便地应用
于战场侦察等军事领域。
１９８９年Ｂ．Ｗ．ＶａｎＤｕｄｈｅｕｓｄｅｎ等人研制出了集成硅风向传感器。该方法
采用硅平面工艺，将敏感元件与放大电路集成在一起，在一个正方形膜片的
四个边排布四个温敏电阻，在膜片中心制作了一个加热电阻¨ 引。当风以一定
方向吹向芯片时，可以将风速分解成圪和虬两个分量，这两个分量被芯片
上的四个电阻感受到，引起电桥输出变化。芯片内部的放大电路进行放大处
理后，分别得到攻和虬值，从Ｋ和儿的比值即可判断风向。这种传感器己
可实现３６０度内的风向测量。１９９０年Ｂ．Ｗ．ＶａｎＤｕｄｈｅｕｓｄｅｎ又研制出一种热
隔离结构的二维流场传感器。之后，基于ＣＭＯＳ工艺或ＭＥＭＳ的硅热流量
风速传感器成为热点，如芬兰和瑞士等国的二维风速传感器。研制出的硅热
风速计主要基于两种原理，即热丝风速计型（热损失型）和量热型（热温差型）。
所谓的热损失型是根据加热单元的热损失量和风速关系来测量风速的，采用
该原理，风速测量没有量程限制，但不能测量风向；所谓的热温差型，是根
据加热条对称的两点的温度差与风速的关系进行风速测量的，采用该原理，
可以同时测量风速和风向，但风速有量程限制¨ 孓…。
上世纪９０年代，工程上测量风速的常用方法之一是用皮托管配压力计。
该方法一般用于测量２ｒｒｇｓ以上的稳定气流，对于低速气流则无法测量。由于
哈尔滨丁稗大学硕十学伉论文
此方法对测量条件要求高，操作麻烦，很快就被均速管和笛形管所取代。均
速管是测量固定四点的全压值，然后取平均值：笛形管则根据实际需要，取
更多点的全压平均值。这两种测量方法均只适合圆形管道，且在测量低含尘
气流时，感压孔容易堵塞¨ 卜闭。
目前，在国外利用上述原理生产气象测量用风速及风向传感器的厂家很
多，例如，丹麦的Ｄａｎｔｅｃ公司，美国的ＴＳＩ公司，日本的村田制作所ＳＫ株
式会社等，其风速测量范围为１－６０ｍ／ｓ，误差为± Ｏ．５ｍ／ｓ，风向测量为０—３６００，
角度误差为± ３０。国内生产用于气象测量用的风速计的厂家主要有天津气象
仪器厂和长春气象仪器厂。他们生产的风向及风速传感器的指标与国外相当，
风向误差为± ５０。
新千年伊始，苏州大学研发了基于Ｆｉｚｅａｕ干涉仪的测风激光雷达系统。
该系统是在Ｆａｂｒｙ．ｐｅｒｏｔ干涉仪成像条纹方法的基础上的改进，直接通过
Ｆｉｚｅａｕ线状干涉条纹的重心位置决定散射信号Ｄｏｐｐｌｅｒ频移量。当测量精度
在２ｍ／ｓ时，可以测量垂直高度为２ｋｍ内的风速，在增加累计脉冲或探测时
间的基础上，有可能进一步提高探测的高度¨ ” 。
近年来，国外又提出了利用超声波测量技术测定风向及风速的新方法。
该技术的基本原理是利用超声波在流动的空气中传播时所载风的流速信息来
测量风速的。不仅应用在工业生产方面，而且在医疗、海洋观测及各种计量
测试中都有着广泛的应用。
以芬兰维萨拉公司ＷＳ４２５超声风速风向传感器为代表的新型风速风向
传感器，创立了新的精确风测量标准。采用三变换器设计确保了在各种风向
条件下测量数据的精确可靠，美国国家气象中心已经选用了ＷＳ４２５作为气象
站机械式风速风向传感器的替代品。
近１０年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步、新型
探头材料与工艺的广泛研究以及声道配置及流动力学的发展，超声测量技术
取得了长足的进步，显示了它强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头，其
潜在巨大的生命力是显而易见的。
１．３超声波在工业生产中的应用
利用超声波来实现距离、速度、流量、浓度等的检测，具有其它检测方
法无法比拟的显著优点。超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不
同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力
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较强等优点。超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，它不受光线、
被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力口川。特别是随着
以微控制器为核心的智能仪表的兴起，超声波检测装置更是如虎添翼，其测
量精度、处理手段、应用范围实现了新的飞跃，成为智能化检测领域独具魅
力的一颗明珠。
市场上的超声波用品也越来越多。如美国生产的超声波调距的新型照相
机，只要按下按钮，瞬间即发出超声波，在不到三分之一秒的时间内便自动
调好焦距；日本一家公司生产的超声波洗衣机，把超声波和空气流一起压入
水中，从而使衣物上的油脂或污垢脱离纤维，将衣物清洗干净；德国研制出
的超声波灭火器，简内能产生频率高达４万赫兹的超声波，通过喷射管喷向
火灾现场，只用十几秒钟就能达到灭火的目的，这种灭火器灭火后不留下任
何化学药品；韩国的太阳产业公司根据超声波能给蚊子听觉神经带来痛苦的
特点，发明了超声波驱蚊器；还有美国ＳＯＮＥＸ国际公司生产的超声波牙刷、
超声波缝纫机等忙卜硐。
这些新型的产品不仅增强了原有同类产品的功能，在效率上更是有极大
的提高，而且无污染，具有很大的市场开发价值。
１．４本论文的主要工作
本论文应用超声波的测量原理，实现了对风速的实时测量。主要阐述了
测量原理及测量方法，并根据设计指标提出了系统设计的总体方案，设计了
系统的硬件电路和控制软件。
系统设备主要分为两大部分：室外设备（传感器部分）和室内设备（主机）。
传感器部分负责风速信号的采集，并将采集到的信号发送给上位机进行数据
处理。主机主要负责风速的计算、人机接１３的控制与处理、与显控台以及传
感器部分的通讯等。
论文的主要工作：
１）传感器部分的硬件电路的设计。主要包括超声波驱动电路、超声波接
收电路、超声波检测电路等，实现了超声波在风速测量中的应用；
２）ＲＳ４８５总线通讯。完成主机与传感器部分的上、下位机通讯，进行风
速信号的数据传输；
３）数据处理。对ＲＳ４８５总线接收到的数据进行处理，得到瞬时风速值
和最大风速值；
哈尔滨下程大学硕十学位论文
４）数码管显示。根据相应的人机接口控制以及系统的工作状念，实王见瞬
时风速值、最大风速值和各按键状态...