超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量裝置的設(shè)計

張廣斌，王斌斌，陳玉林，張 超

（南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京211100）

風(fēng)矢量是基本的氣象要素之一，也是大氣邊界層最基本的特征量之一。當(dāng)前所使用的風(fēng)速儀種類繁多，工作原理和性能各不相同，其中使用較多的是機械式風(fēng)速儀，例如常用的風(fēng)杯式和螺旋槳式風(fēng)速儀。但由于機械式風(fēng)速儀的測量部分是旋轉(zhuǎn)部件，在強風(fēng)和長期暴露于室外的工作環(huán)境下容易磨損，而且存在“過高效應(yīng)”[1]，致使其測量精度不高，使用條件受到制約。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的風(fēng)速風(fēng)向測量方式，如激光風(fēng)速儀、超聲波風(fēng)速儀、高集成度的MEMS風(fēng)速儀等等，這些新型風(fēng)速儀體積較小，無機械部件，壽命長，而且有的精度很高，正在逐步取代傳統(tǒng)機械式風(fēng)速儀，應(yīng)用越來越廣泛。

超聲波風(fēng)速儀是新型風(fēng)速儀中性能較為突出的一種，精度普遍為0.1 m/s，不僅結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用，而且能準確測出自然風(fēng)中陣風(fēng)脈動的高頻成分。較之傳統(tǒng)的機械式及基于激光多普勒、空速管、熱線等技術(shù)的測量方法，基于時差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)具有無啟動風(fēng)速、反應(yīng)速度快、量程廣、盲區(qū)小、線性度好、精度高和無機械磨損、易于安裝維護、不需校正等優(yōu)點[2]。

根據(jù)超聲波在靜態(tài)空氣中的傳播特性，聲速近似為340 m/s、風(fēng)速小于30 m/s時，風(fēng)對聲速的影響近似成線性關(guān)系[3]。因此，超聲波在空氣中傳播固定距離時，順風(fēng)和逆風(fēng)傳播存在時間差，且時間倒數(shù)差與待測風(fēng)速成線性關(guān)系。實際應(yīng)用中，保持超聲波發(fā)射和接收裝置的距離不變，以固定頻率發(fā)射超聲波，測量超聲波在兩相對方向上的傳播時間，得到順風(fēng)或者逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過軟件換算即得到風(fēng)速值。如圖1，用超聲脈沖激勵超聲探頭（換能器S）向外輻射超聲波，換能器N接收超聲波脈沖。設(shè)空氣中聲速為c，風(fēng)速為v，換能器軸線與風(fēng)向的夾角為θ，換能器間距為L。在有風(fēng)條件下，超聲波在制定矢量路徑上的傳播時間為：

圖1 超生波測量原理圖Fig.1 Principle diagram of ultrasonic measurement

在與傳感器軸向垂直方向上放置另一組超聲波收發(fā)裝置，超聲波在此裝置軸向上的傳播時間：

1 測速測向裝置工作原理

1.1 時差法測量原理

利用超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)方向上傳播速度的不同，測量兩條路徑傳播的時間差來獲得風(fēng)速信息，將反饋信息以LCD顯示和語音播報的形式反饋給終端。為了實現(xiàn)瞬時的風(fēng)速風(fēng)向采樣，需要系統(tǒng)具有較強的計算和處理能力。

在聲速c、間距L及傳播時間已知的情況下，可得到風(fēng)速在兩組傳感器軸向方向上的速度分量。經(jīng)過軟件處理即可得出風(fēng)速風(fēng)向信息。

在超聲的傳播過程中，許多因素會對傳播速度造成影響，壓強、介質(zhì)密度、風(fēng)向、溫度等因素都會通過影響速度進而影響距離測量，一般工程上只考慮溫度影響，近似有c=331.4+0.607T。由于本儀器對靈敏度要求較高，因此在選擇測量長度L時還應(yīng)考慮超聲波的強度A與L的關(guān)系：A=A0e-al，其中α是衰減因子[4]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計框架

系統(tǒng)設(shè)計采用MSP430作為核心處理器。如圖2所示，MSP430通過IO接口控制超聲波驅(qū)動模塊，發(fā)射超聲波，接收探頭接受到超聲波信號后，通過超聲波驅(qū)動模塊反饋給MSP430，得到傳播時間，結(jié)合溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件計算和輸出設(shè)置，由LCD顯示測量結(jié)果。

圖2 總體設(shè)計框架圖Fig.2 General frame diagram

1.3 軟件模塊設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

利用MSP430時鐘頻率可設(shè)的特點，系統(tǒng)采用計量精度為0.125 ns的定時器，理論上測量精度由普遍的0.1 m/s提高到0.03~0.05 m/s。為了減少單次測量的隨機誤差，避免測量失真，系統(tǒng)在一次測量中使換能器發(fā)射八段等時差的脈沖，計算它們到達時間的平均值。

當(dāng)接收到MSP430開始測量的命令之后，S1發(fā)射信號，S2接收，將獲得的時間數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組X（東西方向）。然后由S3發(fā)射，S4接收，將得到數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組Y（南北方向）。重復(fù)10次，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出兩個垂直方向的風(fēng)速和方向信息。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括對10個數(shù)據(jù)進行排序，去掉最大和最小的4個數(shù)據(jù)。對中間的6個數(shù)據(jù)進行平均。最后的數(shù)據(jù)經(jīng)過補償和計算從而得到風(fēng)速。正交方向上的風(fēng)速經(jīng)過三角計算，合成水平面上的風(fēng)速和風(fēng)向。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 單片機模塊

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（MixedSignal Processor）[5]。該系列單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等諸多優(yōu)點。

圖3 MSP430單片機Fig.3 Single-chip microcomputer MSP430

2.2 超聲波驅(qū)動模塊

超聲波驅(qū)動模塊采用IO口TRIG觸發(fā)，給予至少10μs的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測有無信號返回[6]。超聲波時序圖如圖4所示。

圖4 超聲波時序圖Fig.4 Sequence diagram of ultrasonic

2.3 DS18B20溫度傳感模塊

由于超聲波的傳播速度跟溫度有關(guān)，所以系統(tǒng)需要添加溫度傳感模塊，并利用溫度數(shù)據(jù)對所得結(jié)果進行修正。溫度傳感模塊采用DS18B20溫度傳感器，通過IO口連接MSP430。電路原理圖如圖5所示。

圖5 溫度傳感器模塊Fig.5 Driver of temperature sensor

2.4 LCD液晶顯示模塊

系統(tǒng)的輸出結(jié)果通過LCD12864顯示屏顯示。帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。LCD12864具有20個管腳，與MSP430連接的電路原理圖如圖6所示。

圖6 LCD電路連接原理圖Fig.6 Principle diagram of LCD circuit

2.5 電壓轉(zhuǎn)換模塊

為了給MSP430芯片以及其他用電設(shè)備提供一個穩(wěn)定的直流電壓，需要電源穩(wěn)壓模塊。但由于普通芯片或者外圍設(shè)備的工作電壓為5 V，而MSP430所需的電壓為3.3 V，所以系統(tǒng)需要單獨為MSP430芯片添加電壓轉(zhuǎn)換模塊。具體的電路原理圖如圖7所示。

圖7 電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.7 Principle diagram of voltage translation

3 應(yīng)用前景及改進方案

3.1 應(yīng)用前景

基于時差法的超聲波測速測適于能夠測定大尺度稀薄流體矢量信息。相對于傳統(tǒng)的測量方式，具有如下優(yōu)點：

1）采用單向時差，在測量流體強度信息的同時可以測量其方向信息；

2）測量部位不需要進行機械運動，無磨損，可靠性好；

3）可以測量大尺度范圍的流體矢量信息，測量數(shù)據(jù)價值性高；

4）能耗低，具有工作/待機兩種工作模式；

5）測量范圍寬，不需要啟動風(fēng)速測量結(jié)果經(jīng)計算；

6）處理可輸出瞬時風(fēng)速風(fēng)向值、平均風(fēng)速風(fēng)向值。

另外，由于其功率小，可采用太陽能供電，可廣泛地應(yīng)用于海航、氣象、民航、公路、建筑、能源等行業(yè)。以能源行業(yè)為例，可以在大型風(fēng)力發(fā)電機槳軸尾部裝配超聲波測速測向儀，根據(jù)測得的風(fēng)向風(fēng)速信息驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機調(diào)整槳面至最佳方向，提高風(fēng)能利用效率。

3.2 存在問題和改進方案

雖然超聲波測速測向儀相比于傳統(tǒng)的測量方式具有很多優(yōu)點，但是也存在著對測量環(huán)境、器型設(shè)計、加工要求高等缺點。其次，分析超聲波的傳輸特性和大氣中的雜質(zhì)、大氣環(huán)境對風(fēng)速風(fēng)向測量的影響對超聲測風(fēng)儀推廣使用和設(shè)計也是極其重要的[7]。

因此對本儀器的改進應(yīng)著重在以下幾點：使用高性能的探頭，提高傳感器的工藝水平，減少器件結(jié)構(gòu)和探頭帶來的誤差；加入溫度自控制模塊和無線反饋模塊，提高對抗惡劣環(huán)境的能力；優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和算法，提高儀器穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

綜上所述，超聲波風(fēng)信息測量裝置是未來風(fēng)速測量儀器的一個重要發(fā)展方向?；跁r差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量裝置設(shè)計以MSP430微控制器為核心，詳細闡述了各個外圍接口電路的設(shè)計和超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量的軟件設(shè)計。結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，在克服影響因素的前提下，我們應(yīng)充分利用現(xiàn)代技術(shù)改進設(shè)計方案并制作出經(jīng)濟型、實用型的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量裝置。

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