鑒相式超風(fēng)波風(fēng)速變送器設(shè)計(jì)資料

ID:779458 · 發(fā)表于 2021-2-23 20:55

風(fēng)速測(cè)量方法中超聲波測(cè)量法擯棄了其他風(fēng)速測(cè)量方法必須要求啟動(dòng)風(fēng)速、響應(yīng)速度慢、精度低、測(cè)量范圍窄的缺點(diǎn)，成為當(dāng)前較流行的風(fēng)速測(cè)量法。本設(shè)計(jì)依據(jù)聲波的振動(dòng)特性、方向性等特性結(jié)合傳播媒介的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，一方面選擇更為合理的三角形傳感器配置方式，另一方面在傳統(tǒng)的時(shí)差風(fēng)速測(cè)量法基礎(chǔ)上，提出一種快速、穩(wěn)定、價(jià)格低廉的相位差風(fēng)速測(cè)量方案。該變送器以單片機(jī)(MSP430)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速的高精度、寬范圍、非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量，適用于一般風(fēng)速測(cè)量場(chǎng)合。

本項(xiàng)目將在以下幾方面進(jìn)行研究：
1. 超聲波傳感器配置形式研究。傳感器的配置方式直接影響著測(cè)量準(zhǔn)確度。選擇一種好的傳感器配置方式對(duì)有效降低環(huán)境因素的負(fù)面影響，提高超聲波風(fēng)速測(cè)量的可靠性具有重要意義。
2. 檢相式時(shí)差測(cè)量模塊設(shè)計(jì)。時(shí)間差的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量的關(guān)鍵，直接決定測(cè)量精度。相位差法是將時(shí)間差轉(zhuǎn)換為相位差后進(jìn)行測(cè)量，其原理較簡(jiǎn)單，且電路成本較低，測(cè)量精度取決于檢相精度。
3. 溫度對(duì)風(fēng)速測(cè)量的零點(diǎn)、靈敏度影響分析及溫度補(bǔ)償技術(shù)，風(fēng)速、溫度、相位關(guān)系研究及數(shù)學(xué)模型建立。
4. 以TI公司的16位單片機(jī)MSP430F2274作為核心處理器，進(jìn)行溫度采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、串口通信模塊、標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊和報(bào)警模塊等設(shè)計(jì)，完成信號(hào)放大、數(shù)字濾波處理、風(fēng)速計(jì)算等。

超聲波風(fēng)速測(cè)量利用了風(fēng)速對(duì)超聲波傳播速度或方向偏移的影響實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前風(fēng)速、流量、濃度檢測(cè)研究的重要方向。
方案一：采用 X法(交叉法)或者V法(反射法)。X法原理是采用兩對(duì)超聲波探頭(每對(duì)包含一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭)，兩對(duì)探頭的聲程交叉，風(fēng)從此交叉范圍內(nèi)通過(guò)。V法原理是采用一對(duì)探頭和一個(gè)表面光滑、介質(zhì)常數(shù)很高的反射板，風(fēng)從反射路徑覆蓋的范圍通過(guò)。
方案二：采用等腰三角形配置方案。采用一只發(fā)射傳感器,兩只接收傳感器。發(fā)射探頭位于三角形頂角，兩接收探頭分別位于兩底角，組成銳角等腰三角形而不是等邊三角形，以使得聲程稍長(zhǎng)從而獲得較高的測(cè)量精度。

操作人員在出廠之前需要對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，這個(gè)出廠標(biāo)定通過(guò)紅外線遙控器完成。當(dāng)MCU檢測(cè)到有遙控器信號(hào)時(shí)，當(dāng)信號(hào)指令是“標(biāo)定”，則進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定操作。記錄標(biāo)定值指的是把放大電路的輸出電壓通過(guò)MCU內(nèi)部的ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存儲(chǔ)至Flash存儲(chǔ)器。
本變送器紅外遙控模塊設(shè)置以下按鍵功能：零點(diǎn)標(biāo)定鍵、靈敏度標(biāo)定鍵、+設(shè)置鍵、-設(shè)置鍵、確認(rèn)鍵、復(fù)位鍵。圖16為標(biāo)定程序流程圖。標(biāo)定過(guò)程如下：


圖16  標(biāo)定程序流程圖

1. 零點(diǎn)標(biāo)定。變送器置于無(wú)風(fēng)空氣中，按零點(diǎn)標(biāo)定鍵一次，指示燈常亮后按確認(rèn)鍵，即可把當(dāng)前狀態(tài)記憶為零點(diǎn)標(biāo)定值，設(shè)置內(nèi)容可永久斷電保持，直至下次更改生效為止。
2. 靈敏度標(biāo)定。使用風(fēng)洞進(jìn)行標(biāo)定。(1)變送器置于風(fēng)洞中，使風(fēng)洞中產(chǎn)生XX.Xm/s的風(fēng)速，信號(hào)穩(wěn)定后按“靈敏度標(biāo)定鍵”一次。這時(shí)數(shù)碼管顯示之前設(shè)定的靈敏度標(biāo)定點(diǎn)1的風(fēng)速設(shè)定值，如果與當(dāng)前風(fēng)洞中產(chǎn)生XX.X m/s的風(fēng)速值不符，可通過(guò)“+設(shè)置鍵”或“-設(shè)置鍵”調(diào)整標(biāo)定風(fēng)速值�！�+設(shè)置鍵”和“-設(shè)置鍵”只要按下一次即可，設(shè)置值將自動(dòng)以約每秒1次的速度變化(每次變化0.1m/s),當(dāng)顯示值與當(dāng)前風(fēng)洞中產(chǎn)生XX.Xm/s的風(fēng)速值相符后立即按“確認(rèn)鍵”，把當(dāng)前狀態(tài)記憶為靈敏度標(biāo)定點(diǎn)1風(fēng)速值，然后返回到正常工作狀態(tài)。設(shè)置內(nèi)容可永久斷電保持，直到下次更改生效為止。(2)變送器置于風(fēng)洞中，使風(fēng)洞中產(chǎn)生YY.Ym/s的風(fēng)速，信號(hào)穩(wěn)定后按“靈敏度標(biāo)定鍵”一次。其他操作同標(biāo)定點(diǎn)1的操作。注：XX.X < YY.Y，且YY.Y應(yīng)盡量接近測(cè)量范圍的上限。若偶然出現(xiàn)不必要的操作可按下復(fù)位鍵取消當(dāng)前錯(cuò)誤操作。
4.4 軟件可靠性的設(shè)計(jì)
隨著單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，工作環(huán)境的干擾也越來(lái)越嚴(yán)重。而對(duì)環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，大量的干擾源有時(shí)雖然不會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)硬件的破壞，卻常常會(huì)侵入系統(tǒng)破壞數(shù)字信號(hào)的時(shí)序，更改單片機(jī)寄存器內(nèi)容，導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入死循環(huán)。因此，要保證新型微控制器的可靠性、安全性，就必須在提高硬件可靠性的基礎(chǔ)上，在程序設(shè)計(jì)中采取措施，通過(guò)軟件技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。本儀器在軟件抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)采取三種辦法：指令冗余設(shè)計(jì)、軟件陷阱設(shè)計(jì)、程序監(jiān)視定時(shí)器設(shè)計(jì)。
指令冗余就是在程序關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫。它是使程序從“亂飛”狀態(tài)恢復(fù)正常的一種有效措施，其前提條件要求PC指針必須指向程序運(yùn)行區(qū)，且必須執(zhí)行到冗余指令。
正常情況下CPU取指令過(guò)程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)指令計(jì)數(shù)器PC受到干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，程序便脫離正常軌道“亂飛”，導(dǎo)致CPU把一些操作數(shù)當(dāng)作操作碼來(lái)執(zhí)行，從而引起整個(gè)程序的混亂。
軟件陷阱設(shè)計(jì)是指利用“程序口令+軟件陷阱”確保PC指針不被彈飛。方法如下：
1. 程序必須模塊化。每一個(gè)模塊（子程序）執(zhí)行一個(gè)能力。每個(gè)模塊只有一個(gè)出口(RET)。
2. 設(shè)立一個(gè)模塊（子程序）ID寄存器。
3. 為每個(gè)子程序配置唯一的一個(gè)ID號(hào)碼。
4. 每當(dāng)子程序執(zhí)行完畢。要返回(RET)之前，先將本子程序的ID號(hào)送入ID寄存器。
5. 返回到上一級(jí)程序后，先判斷ID寄存器中的ID號(hào)。如果正確，則繼續(xù)執(zhí)行；如果不正確，則表示PC指針有可能跳錯(cuò)了，子程序沒(méi)有按照預(yù)計(jì)的出口返回，這時(shí)將程序攔截初始化段或程序錯(cuò)誤處理段。
這種方法如同在程序中設(shè)立了若干個(gè)崗哨，每次調(diào)用子程序返回后，需要對(duì)口令(ID)驗(yàn)證身份再放行。再配合軟件陷阱，可以將絕大多數(shù)PC指針彈飛的現(xiàn)象監(jiān)測(cè)到并加以有效處理。
程序監(jiān)視定時(shí)器設(shè)計(jì)是指利用WDT（程序監(jiān)視定時(shí)器，俗稱看門狗）通過(guò)監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)，判斷程序是否進(jìn)入死循環(huán)或出現(xiàn)程序跑飛現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)迫程序回到復(fù)位狀態(tài)。一方而可通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)，稱為硬件WDT，另一方而可設(shè)置軟件“監(jiān)視跟蹤定時(shí)器”實(shí)現(xiàn)，也就是軟件WDT技術(shù)。
在干擾不是特別嚴(yán)重、程序發(fā)生跑飛，控制字完好無(wú)損的情況下，軟件WDT溢出可將跑飛的程序截回，轉(zhuǎn)而執(zhí)行查錯(cuò)程序數(shù)據(jù)備份修復(fù)等相應(yīng)的程序，然后進(jìn)入主程序。如果數(shù)據(jù)得到了很好修復(fù)，就可以接著跑飛時(shí)處理的事件繼續(xù)運(yùn)行。
5. 系統(tǒng)創(chuàng)新
本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：采用高速邏輯電路設(shè)計(jì)精確檢相模塊，得到的信號(hào)相位差穩(wěn)定性高、時(shí)滯小，與采用CPLD技術(shù)的時(shí)差測(cè)量法相比精度得到較大提高，同時(shí)大大降低了儀器成本；設(shè)計(jì)了相位電壓轉(zhuǎn)換模塊，使得相位信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，并能通過(guò)MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理，與采用CPLD技術(shù)的時(shí)差測(cè)量法相比分辨率得到較大提高；系統(tǒng)配備溫度補(bǔ)償傳感模塊，很好地解決了溫度對(duì)風(fēng)速、超聲波傳輸速度的影響，加強(qiáng)了儀器的可靠性和應(yīng)用范圍。
測(cè)試設(shè)備：Fluke示波器、風(fēng)扇、遙控器
測(cè)試結(jié)果：經(jīng)測(cè)試，風(fēng)速變送器信號(hào)模擬處理部分的兩路輸出信號(hào)在示波器上有明顯相位差，并且隨風(fēng)速加大，相位差增大，經(jīng)粗略估算，達(dá)到預(yù)期效果，但本測(cè)試精度較低，需專業(yè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步驗(yàn)證。圖17為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試期間的變送器。

圖17實(shí)驗(yàn)室測(cè)試期間的變送器
2．風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室
測(cè)試時(shí)間：2011-12
測(cè)試地點(diǎn)：黑龍江科技學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室
測(cè)試設(shè)備：吸風(fēng)式風(fēng)機(jī)，P=4kW，轉(zhuǎn)速=3000r/min；
測(cè)試結(jié)果：經(jīng)專業(yè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，本風(fēng)速變送器能夠在定向風(fēng)場(chǎng)中穩(wěn)定工作，具有較好的抗振動(dòng)性能，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值比較后得出以下結(jié)論：本變送器測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快，LED顯示結(jié)果穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
6.2 結(jié)論
本設(shè)計(jì)利用聲波的振動(dòng)特性、方向性等特性結(jié)合傳播媒介的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，一方面選擇更為合理的三角形傳感器配置方式，另一方面在傳統(tǒng)的時(shí)差風(fēng)速測(cè)量法基礎(chǔ)上，提出一種快速、穩(wěn)定、價(jià)格低廉的相位差風(fēng)速測(cè)量方案。本設(shè)計(jì)的變送器以單片機(jī)(MSP430)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速的高精度、寬范圍、非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量，適用于一般風(fēng)速測(cè)量場(chǎng)合。
隨著更加深入的測(cè)試以及在實(shí)踐中的應(yīng)用，我們將完善設(shè)計(jì)，提高可靠性，降低成本，使該鑒相式超聲波風(fēng)速變送器成為一個(gè)成熟的產(chǎn)品。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)能夠獲得以下技術(shù)數(shù)據(jù)：
1. 能夠測(cè)量0~40m/s的風(fēng)速，分辨率可到到0.01m/s；
2. 使用前的標(biāo)定、調(diào)零等工作可通過(guò)遙控器完成，方便使用與安裝；
3. 傳感器結(jié)構(gòu)尺寸小，單邊約80mm；
4. 整機(jī)不單獨(dú)開(kāi)孔，不包含滑動(dòng)變阻器，抗震性能好；
5. 響應(yīng)速度快，相對(duì)于CPLD技術(shù)的風(fēng)速儀而言性價(jià)比更高。

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