張廣斌，王斌斌，陳玉林，張 超

（南京航空航天大學 理學院，江蘇 南京211100）

風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。當前所使用的風速儀種類繁多，工作原理和性能各不相同，其中使用較多的是機械式風速儀，例如常用的風杯式和螺旋槳式風速儀。但由于機械式風速儀的測量部分是旋轉(zhuǎn)部件，在強風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”[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)了許多新的風速風向測量方式，如激光風速儀、超聲波風速儀、高集成度的MEMS風速儀等等，這些新型風速儀體積較小，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)機械式風速儀，應用越來越廣泛。

超聲波風速儀是新型風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中陣風脈動的高頻成分。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速風向測量技術(shù)具有無啟動風速、反應速度快、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、風速小于30 m/s時，風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，順風和逆風傳播存在時間差，且時間倒數(shù)差與待測風速成線性關(guān)系。實際應用中，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，得到順風或者逆風的傳播速度，經(jīng)過軟件換算即得到風速值。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。設空氣中聲速為c，風速為v，換能器軸線與風向的夾角為θ，換能器間距為L。在有風條件下，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

利用超聲波在順風和逆風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)瞬時的風速風向采樣，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速風向信息。

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)設計框架

系統(tǒng)設計采用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置，由LCD顯示測量結(jié)果。

圖2 總體設計框架圖Fig.2 General frame diagram

1.3 軟件模塊設計及數(shù)據(jù)處理

利用MSP430時鐘頻率可設的特點，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10次，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出兩個垂直方向的風速和方向信息。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速。正交方向上的風速經(jīng)過三角計算，合成水平面上的風速和風向。

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 應用前景及改進方案

3.1 應用前景

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，不需要啟動風速測量結(jié)果經(jīng)計算；

6）處理可輸出瞬時風速風向值、平均風速風向值。

另外，由于其功率小，可采用太陽能供電，可廣泛地應用于海航、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)測得的風向風速信息驅(qū)動風力發(fā)電機調(diào)整槳面至最佳方向，提高風能利用效率。

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)境對風速風向測量的影響對超聲測風儀推廣使用和設計也是極其重要的[7]。

因此對本儀器的改進應著重在以下幾點：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，超聲波風信息測量裝置是未來風速測量儀器的一個重要發(fā)展方向。基于時差法的超聲波風速風向測量裝置設計以MSP430微控制器為核心，詳細闡述了各個外圍接口電路的設計和超聲波風速風向測量的軟件設計。結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，在克服影響因素的前提下，我們應充分利用現(xiàn)代技術(shù)改進設計方案并制作出經(jīng)濟型、實用型的超聲波風速風向測量裝置。

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