【摘 要】
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本文以高精度、智能化和实用化为目标,重点开展基于时差法的超声波水表关键技术和系统实现的研究,设计实现了一种基于时差法的高精度超声波智能水表样机。本文的研究工作及成果包括:1.超声波流量检测基本原理和技术研究。针对常用超声波流量检测方法,研究了时差法超声波流量检测基本原理并推导流量计算公式,研究了超声波信号计时方法,分析研究了超声波水表精度提升方法。2.超声波智能水表的总体方案设计。综合考虑超声波智
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本文以高精度、智能化和实用化为目标,重点开展基于时差法的超声波水表关键技术和系统实现的研究,设计实现了一种基于时差法的高精度超声波智能水表样机。本文的研究工作及成果包括:1.超声波流量检测基本原理和技术研究。针对常用超声波流量检测方法,研究了时差法超声波流量检测基本原理并推导流量计算公式,研究了超声波信号计时方法,分析研究了超声波水表精度提升方法。2.超声波智能水表的总体方案设计。综合考虑超声波智能水表高精度、低功耗和数据远传的要求,设计了智能水表的总体方案。研究了温度补偿和数据滤波方法,通过软硬件综合设计实现测量精度的提升;通过合理设计与芯片选型,并调整系统不同状态下的测量频率,实现系统低功耗设计;优选Lo Ra无线通信技术,实现水表终端与云端的数据传输。3.超声波智能水表的系统硬件设计与实现。根据系统总体方案以及高精度、低功耗、功能完整性等要求,设计了基于模块化思想的总体硬件架构;优选STM32L073低功耗单片机作为主控芯片、TDC-GP30高精度计时芯片作为系统核心芯片、WH-L102-C远距离传输模组作为Lo Ra数据远程模块。研究设计了系统电源、红外、LCD显示、电源切换、4-20m A信号输出等模块,完成了样机硬件系统的设计与制造。4.超声波智能水表关键算法及系统软件设计。开展了智能水表高精度算法研究,设计实现了温度补偿算法,提出了一种结合卡尔曼滤波与算术平均的新型数据滤波算法,提出了一种可变阈值-过零比较算法来确定超声波信号计时时间到达,提高了系统稳定性和测量精度;提出了一种自适应功耗管理算法,有效降低了系统功耗;完成了流量温度测量、数据远传、红外通信及LCD显示等功能软件的编写与调试。5.超声波智能水表实验测试与数据分析。采用标准检定装置对水表样机的计量性能进行了实流校准,结果表明精度可达2级水表的要求;通信性能测试结果表明,在1km距离范围内,数据丢包率为零,能够实现水表数据的可靠传输。总体结果表明,研制的超声波智能水表样机的功能、性能和功耗等指标均达到设计要求,满足了工程实用化的需要。
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