陳志洲劉小河田雨聰

（1.北京信息科技大學自動化學院，北京 100192；2.北京國電智深控制技術有限公司，北京 100085）

基于STM32單片機測風系統的設計

陳志洲1劉小河1田雨聰2

（1.北京信息科技大學自動化學院，北京 100192；2.北京國電智深控制技術有限公司，北京 100085）

隨著風能大范圍的的利用，提高風能的利用率成為研究的重點，而風速風向的準確性對風能的利用起到了關鍵性的作用。在周圍環(huán)境較惡劣的地方，超聲波測風裝置和其他測風方法比較，可以得到較高的測量風能精度，因此它得到了廣泛的應用。文中詳細介紹了測風的研究方法和超聲波測風系統的電路設計。通過實驗證明，該設計可以滿足工業(yè)的設計要求。

測風裝置；超聲波傳感器；驅動電路；STM32

傳統的機械式測風裝置一般是通過旋轉某個機械部件來測量風的特性，由于其長期進行機械運動，在大風和雨雪的惡劣自然環(huán)境中容易受到腐蝕而導致測量精度的降低，甚至造成損壞，且維護費用高，同時由于存在機械運動將會導致其有一個相對比較大的起動下限值（起動風速）。超聲波測風裝置以MCU為控制核心，搭配相應的外圍電路，能夠可靠的測量出風的矢量，并且體積較小，抗外界干擾強，具有較強的使用壽命，無起動風速［1］。本文介紹了時差法測風的基本原理和電路設計，包括驅動電路、切換電路和信號處理，最終得到風速的矢量信息。

1 超聲波測風方法

目前國內相對使用較多的超聲波測量風矢量的方法有:渦街法、多普勒法和時差法。

1.1 渦街法

渦街法是基于卡門渦街原理，即在流動的流體（空氣）中放置一根軸線與流向垂直的非流線型組流體，當流體（空氣）沿渦街發(fā)生體繞流時，會在渦街發(fā)生體下游產生兩列不對稱但有規(guī)律的交替渦列，這就是卡門渦街。

通過實驗驗證，在一定的雷諾數Re范圍內，渦街產生的頻率f與流體平均流速U之間存在一定的比例關系，即

式中，U表示流體的平均流速，m/s；Sr表示斯特勞哈爾數［2］。

測出渦街產生的頻率，通過式（1）可測得風速U。但是其上限流速受到介質可壓縮性的限制，下限流速受雷諾數和傳感器靈敏度的限制，所以其適用于管道流速的測量。

1.2 多普勒測風法

多普勒法是利用光學多普勒原理，多普勒效應即當發(fā)射器和接收器之間有相對運動時，接收器的接收聲頻率與發(fā)射器的產生頻率之差與兩者之間的相對速度成正比。當測量時，超聲波信號的多普勒頻移為

式中，Δf表示多普勒頻移； fr表示發(fā)射信號頻率；表示接受信號頻率；θ表示入射角；C表示超聲波信號的傳播速度；V表示氣體流速。

由式（2）可知，氣體流速與超聲波的傳播速度成正比，而超聲波的傳播速度應該考慮外界環(huán)境的影響，所以其應用在測量風速有一定的局限性。

1.3 時差法測風法

時差法是根據超聲波傳感器發(fā)出的信號通過計算正向傳播時間和反向傳播時間之差來求得風速，根據不同方向的風速確定風向［3-4］。本設計在東南西北四個風向各放置一個收發(fā)一體的超聲波探頭，通過切換裝置對其進行控制。時差測風法的原理如圖1所示。

圖1 時差法原理圖

順風時:

逆風時:

將兩個超聲波探頭的距離固定為 L，則可以測出其在順風方向的傳播時間為

逆風傳播時間為

當測得TBA與TAB時，則可以得到風速，即

風向:設定正東方向為正方向，西東方向的傳播時間為t1，東西方向的傳播時間為t2，南北方向的傳播時間為t3，北南方向的傳播時間為t4，即

通過對三種測風方法的比較，選用可靠性強，且測量精度高的時差法來對風矢量進行測量。

2 硬件電路的設計

超聲波測風系統的總體設計包括核心控制器MCU、超聲波探頭的驅動電路、切換電路、接收信號處理電路、模擬量輸出電路、溫度和氣壓測量電路等，測量系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

2.1 STM32單片機的簡介

本設計采用的是 STM32F051R8T6單片機作為核心處理器。STM32F051R8T6采用高性能的ARM Cortex-M0的32位的RSIC內核，工作于48MHz頻率，高速的嵌入式閃存（FLASH最大 64K字節(jié)，SRAM最大8K字節(jié)），并廣泛集成增強型外設和I/O口。所有器件提供標準的通信接口（兩個I2Cs，兩個SPI，一個I2S，一個HDMI CEC，兩個USART），一個12位ADC，一個12位DAC，最多5個16位定時器，一個32位定時器和一個高級控制PWM定時器。

STM32F051單片機采用3.3V電源供電。設計中采用12個I/O端口，一個SPI接口，通信端口和I2C接口，在控制成本的基礎上滿足了設計的要求。

2.2 電源電路的設計

電源電路采用外加 24V電源供電，并通過WRB2405芯片和 ASM1117，分別得到正負 5V和3.3V電壓。在圖3和圖4中，D1用于防止外部電源接反而造成對電路的破壞，C1、C2、C3、C4用于濾波。

圖3 24V轉5V

圖4 5V轉3.3V

2.3 超聲波探頭的驅動電路

超聲波探頭的驅動是硬件系統的關鍵，驅動能力直接影響超聲波換能器發(fā)射超聲波的質量，繼而影響測量精度。本設計采用頻率為200kHz的PWM波作為激勵信號，通過傳統的圖騰柱結構來控制MOS管的開關。由于超聲波換能器需要較高的激勵電壓，故采用高頻變壓器進行升壓。在圖5中，當PWM波為低電平時，Q2斷開，Q3導通，給MOS管提供開通電壓，繼而變壓器不工作；當PWM波輸出為高電平時，Q3導通，Q4導通，Q3斷開，MOS管放電，變壓器原邊提供24V工作電壓［5］。Q2和Q3在開關狀態(tài)時，工作在飽和區(qū)。

圖5 驅動電路

由于圖 5裝置需要較快的開關速度，而 MOS管中存在寄生電容會延長開關速度，所以增加 Q4來快速的泄放寄生電容中的電流，以加快MOS管的開關速度；同時在變壓器的原邊接上二極管，用于加快其放電過程。仿真結果如圖6所示，由此看出得到了良好的波形。

圖6 驅動電路波形

2.4 切換電路

由于超聲波探頭采用的是收發(fā)一體的，所以切換電路顯得尤其重要。本設計采用的是通過單片機的高低電平來控制三極管的開斷，通過 TLP285光耦芯片進行隔離設置來保護單片機的接口；由于驅動電壓較高，采用了耐壓較高的13009三極管；通過 CD4051芯片來對接收信號進行控制，但一般的模擬開關的耐壓值比較低，所以加入了鉗位電路將電壓的幅值限制正負0.7V之間，如圖7所示。

圖7 切換電路

2.5 放大電路

超聲波探頭接收到超聲波信號的信號十分微弱，只有毫伏級別，后續(xù)電路難以進行比較，因此需要將此微弱信號進行放大［6］。

本設計采用AD8656運放芯片進行放大電路的設計。AD8656芯片是雙通道的運放芯片，由于信號十分微弱，所以設計用一級電壓跟隨的設計，一級進行同相放大。電壓跟隨器輸入阻抗大，而輸出阻抗小，起到了隔離緩沖的作用，如果直接進行連接，易造成信號衰減。在后續(xù)電路要進行電壓比較，所以盡可能的將放大后的電壓控制在3.3V左右，所以將對交變信號放大50倍，原理如圖8所示，在電源的附近都有一個4.7μf的鉭電容和0.1μf的瓷片電容是為了去耦和防止電源自激蕩。運放采用的是同相比例放大電路，輸出U。C17為了濾除信號中含有較高的直流分量，這樣防止運算放大器飽和。

圖8 放大電路原理圖

由圖9可見，放大出來的效果是十分理想的。

圖9 信號放大前后對比圖

2.6 濾波電路

本設計采用的輸入信號的頻率為200kHz，所以我們應該將接收到的信號中除了 200kHz以外的無用信號進行過濾，以免對后續(xù)電路進行干擾，影響測量的精度。本人采用的是美信公司的MAX275芯片，由于其可以根據數據手冊上的計算方法來確定各個電阻的阻值，計算相對簡單，可以連接成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等。運用兩個二階濾波器級聯構成四階帶通濾波器，中心頻率為200kHz，帶寬為20kHz。設計原理圖如圖10所示。

圖10 帶通濾波器

2.7 電平比較電路

經過以上的相關處理后，所得到的是交變的模擬信號，仍然不能將其送入單片機內進行數字處理。所以，在信號處理過程中，并不用將全部信號轉變成數字信號，只是選取一個時間的截點，所以可以采用電壓比較電路。本設計采用的是專業(yè)的比較器芯片LM193，切換速度快，延遲低。由于其是集電極開路輸出，在輸出端應該接上拉電阻。原理如圖11所示。

圖11 電壓比較電路

采用專業(yè)的電壓比較器芯片LM193，取躍變信號的終點作為計時截止時間。由于存在噪聲的影響，閾值不能設定為零，為此用一個電位計來調節(jié)閾值電壓，此閾值電壓需要在實驗過程中反復的調節(jié)實驗，來達到最好的檢測效果。R41為可調電位計，可為在調試過程中提供不同的閾值。通過比較器將模擬信號轉化為高低電平，通過單片機的識別，進行中斷響應。仿真實驗圖如圖12所示，仿真效果比較理想。

圖12 電平比較電路仿真圖

2.8 外圍功能電路設計

由于測風裝置安裝在室外，會受到惡劣的自然環(huán)境的影響，所以本設計加入了測溫裝置［7］和測氣壓裝置，在一定的條件下起動加熱裝置，為測風裝置長久穩(wěn)定的運行提供了保障同時擴展了測風裝置的功能［8］。本設計采用氣壓傳感器 BMP085芯片，此芯片既可以測量氣壓也可以測量溫度，采用 I2C協議通信。經過試驗測試，滿足設計的要求。原理如圖13所示。

圖13 氣壓傳感器

2.9 模擬量輸出的設計

本設計采用模擬量輸出方式，電流輸出在 4～20mA，電壓輸出在0～5V。設計中采用AD5422芯片來作為轉化成模擬量。

AD5422是低成本、精密、完全集成、12/16位數模轉換器，內置可編程電流源和可編程電壓輸出，輸出電流范圍可編程設置為4～20mA、0～20mA。靈活的串行接口為SPI和MICROWIRE兼容型，可以采用三線式模式工作，從而極大的降低隔離應用和數字隔離要求，該器件含有一個異步清零引腳，它可將輸出設置為零電平/中間電平電壓輸出或將輸出設置為選定電流范圍的地端，滿足于工業(yè)過程控制應用的需要。具體電路圖如圖14所示。

圖14 AD5422連接圖

2.10 通信模塊的設計

測風裝置除了采用模擬量輸出的方式，還采用RS-485通信的形式，將所測數據與上位機進行通信。

1）RS-485的電氣特性:采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2）RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。

3）RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

設計電路如圖15所示。

圖15 RS-485通信電路

3 結論

本文對超聲波測風裝置的測風原理和硬件設計進行了詳細的介紹，整體設計電路簡單，易于調試，抗外界環(huán)境能力強。由對各個模塊的仿真分析可知，各個模塊可以實現其應有的設計功能，能夠滿足其工業(yè)上的設計要求。由于時間的有限，還沒有進行各個部分的聯調，后期主要完成主干程序的編程工作，進行實地進行測量。

本設計限于客觀條件的限制，完成了測量風速的基本功能，在某些方面存在不足。在以后的設計改進中，可以從以下幾個方面進行改進:

1）可以采用運算速度更高的 DSP芯片來取代單片機。

2）在閾值時間的檢測方法上，可以采用更精確的算法，比如互相關算法等來提高測量時間的精確度。

3）增加外圍功能器件，來增強測風儀的功能，如增加測量濕度的芯片等。

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The Design of STM32 System based on Mcu Windfinding

Chen Zhizhou1Liu Xiaohe1Tian Yucong2
（1.College of Auto，Mation，College of Automation，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192；2.Beijing Guodian Zhishen Control Technology Co.，Ltd，Beijing 100085）

With the use of a wide range of wind energy，to improve the utilization of wind energy has become the focus of the study，and the accuracy of wind speed and direction of wind energy plays a key role.Ultrasonic wind measurement device can adapt to the harsh natural environment and can keep the high precision and widely used.The paper describes in detail the research method and the hardware circuit design of the measuring system of the wind，The experimental results show that the design of each part can meet the requirements of industrial design.

wind measurement device；the ultrasonic sensor；drive circuit；STM32

陳志洲（1990-），男，河北省邯鄲市人，碩士研究生，主要從事控制理論與控制工程方面的研究。