陳為星， 劉為國

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

現(xiàn)代超聲波風(fēng)速儀[1]是目前實(shí)際農(nóng)業(yè)及工業(yè)科學(xué)領(lǐng)域較為實(shí)用的新型儀器，不僅設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，且有著較高的測量精度，對于自然風(fēng)中的陣風(fēng)脈動(dòng)的高頻成分測量準(zhǔn)確[2]。在理論上，測量風(fēng)速范圍無上限量，這就使得超聲波風(fēng)速儀有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，超聲波測量風(fēng)速主要有2種方法:時(shí)間差測量法[3]，主要是測量超聲波發(fā)射到接收間的時(shí)間或頻率差；另外一種方法是相位測量法，其原理為觀察順風(fēng)與逆風(fēng)時(shí)測得的超聲波波形相位差計(jì)算風(fēng)矢量信息[4]。溫度濕度等信息會(huì)對風(fēng)速測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，同時(shí)考慮到超聲波在介質(zhì)中的衰減情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)，由靈活可編程的A/D通道進(jìn)行信息的采集，具有溫度濕度補(bǔ)償裝置和RS—485信息通信功能。

1 時(shí)差法測量原理

由于一維風(fēng)速風(fēng)向模型無法測量風(fēng)向的信息，因此，系統(tǒng)用二維風(fēng)速風(fēng)向測量模型，可以很好地模擬自然風(fēng)的實(shí)際情況，對風(fēng)矢量進(jìn)行二維方向分解，再分別測量二維方向上的風(fēng)速風(fēng)向信息,極坐標(biāo)模型表示如圖1所示。

圖1 極坐標(biāo)模型

采用4個(gè)垂直水平放置的收發(fā)一體超聲波探頭，相對探頭間距離固定，4者呈正方形放置。如圖2模型所示。假設(shè)實(shí)際風(fēng)向如圖中所示，則將其在極坐標(biāo)中進(jìn)行分解，主要在南北方向和西東方向上存在分矢量。當(dāng)探頭以200 kHz頻率發(fā)射超聲波時(shí)，分別測得各方向順風(fēng)和逆風(fēng)時(shí)傳播時(shí)間為t12,t21,t34,t43，其中t21,t34為順風(fēng)時(shí)間，t12,t43為逆風(fēng)時(shí)間。

圖2 二維超聲波模型

如上圖設(shè)風(fēng)速西東方向上為vWE，南北方向?yàn)関SH,探頭間距離為d，則由一維風(fēng)速測量公式得

(1)

由矢量勾股定理合成實(shí)際風(fēng)為

(2)

求得方向角β為

(3)

可計(jì)算出風(fēng)向的數(shù)值，在第一象限時(shí)為arccosβ，在第二象限為π-arccosβ，第三象限為π+arccosβ，第四象限為2π-arccosβ。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)選用STM32F103為核心，處理來自風(fēng)速儀的傳輸數(shù)據(jù)和與上位機(jī)的通信，該單片機(jī)最高工作頻率可達(dá)72 MHz，512 kB的FLASH,支持RS—485通信，內(nèi)部自帶一路數(shù)字溫濕度傳感器接口，具有處理速度快，成本低，精度高的特點(diǎn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)框圖中電源模塊提供所需電能，STM32發(fā)送起始信號(hào)啟動(dòng)風(fēng)速風(fēng)向儀工作，風(fēng)速風(fēng)向儀探頭測得的結(jié)果選擇電流形式傳輸。為了便于單片機(jī)進(jìn)行A/D處理,設(shè)計(jì)了I/V轉(zhuǎn)換電路,低通濾波電路、峰值檢測電路將最終信號(hào)送達(dá)單片機(jī)I/O口。STM32內(nèi)部計(jì)數(shù)器捕捉峰值信號(hào)，將計(jì)算結(jié)果加上溫度電路補(bǔ)償顯示在液晶顯示屏上。RS—485模塊負(fù)責(zé)探頭和STM32、上位機(jī)通信，方便在上位機(jī)上設(shè)置和監(jiān)控探頭。

2.2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的選擇

本系統(tǒng)選擇FC—09G型風(fēng)速風(fēng)向儀，利用時(shí)差法測量風(fēng)速風(fēng)向。全數(shù)字化信號(hào)檢測，高精度，可自動(dòng)加熱除冰雪，同時(shí)進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向和聲學(xué)溫度的實(shí)時(shí)測量。風(fēng)速風(fēng)向測量信號(hào)選擇4～20 mA電流模擬方式輸出，0.01 m/s的分辨率；工作電壓為24 V；風(fēng)速測量范圍0～60 m/s,精度是±0.2 m/s(≤10m/s)、±2 % (>10 m/s)；風(fēng)向測量范圍0°～360°，精度是±1°；聲學(xué)溫度測量范圍-40～60 ℃，精度±2°。同時(shí)自帶數(shù)字濾波技術(shù)，抗電磁干擾能力更強(qiáng)。風(fēng)速風(fēng)向儀底部有一個(gè)8腳防水插頭，用以通過屏蔽電纜線連接外部電源和通信接口。通過串行連接單片機(jī)，且可以全雙工模式輸出，8腳插頭引腳分別為RXD-，TXD-，NC，RXD+，TXD+，AGND，DC-和DC+。FC—09G Monitor軟件為用于設(shè)置與監(jiān)視超聲波風(fēng)速儀的上位軟件，該軟件可以用于監(jiān)測FC—09G風(fēng)速風(fēng)向儀的數(shù)據(jù)，并記錄于計(jì)算機(jī)硬盤上。

2.3 電源電路

為了得到較小的紋波24 V電壓供FC—09G風(fēng)速風(fēng)向儀使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的電源電路，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降壓成5 V為STM32提供工作所需電壓，具體電路如圖4所示。首先由變壓器降壓得到20 V的交流電，再整流為直流電，LM7824芯片可以將直流電進(jìn)行穩(wěn)壓除波紋得到風(fēng)速風(fēng)向儀需要的穩(wěn)壓源，再經(jīng)過LM2576S芯片得到單片機(jī)的工作電壓，電路中的IN5822起防擊穿保護(hù)作用，電感器L1可以進(jìn)一步減小電路中涌動(dòng)電流的沖擊干擾。

圖4 電源電路

2.4 接收處理電路

為了便于STM32的輸入計(jì)算，設(shè)計(jì)了I/V轉(zhuǎn)換電路，將測得的4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波整理，濾除電路中的干擾成分，主要是高頻和低頻信號(hào)[5]。峰值檢測電路檢測出信號(hào)的包絡(luò)曲線，傳送單片機(jī)A/D口采集。

2.5 I/V轉(zhuǎn)換電路

選用了RCV420高精密芯片進(jìn)行I/V的轉(zhuǎn)換，該芯片可以將4～20 mA的環(huán)路電流變換成0～5 V的電壓，具有很可靠的性能和很低的成本。內(nèi)部含有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)，在不需要外部調(diào)整的情況下，可以獲得86 dB的共模抑制比和40 V的共模電壓輸入。在全量程范圍內(nèi)輸入阻抗僅有1.5 V的壓降，對環(huán)路電流具有很好的變換能力，總誤差小于±1 %。芯片所需電壓在圖4的基礎(chǔ)上利用LM46002進(jìn)行降壓可得，不再具體給出。

2.6 低通濾波電路

為了保證輸入到單片機(jī)的信號(hào)以400 Hz為主，同時(shí)濾除其他的高頻雜波。設(shè)計(jì)了400 Hz的低通巴特沃斯濾波器加強(qiáng)對信號(hào)的干擾處理，保證了有用信號(hào)頻率最大限度平坦，高頻信號(hào)波則逐漸下降為零。具體電路如圖5所示。電路中的自動(dòng)開關(guān)器用于400 Hz的切斷頻率，可以通過改變頻率的比例值來擴(kuò)大。

圖5 低通巴特沃斯濾波器

2.7 峰值檢測電路

為獲得超聲波準(zhǔn)確傳播時(shí)間，對獲得的濾波后信號(hào)進(jìn)行峰值檢測，其關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷出接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。通常采用的方法有高速計(jì)算器計(jì)數(shù)求包絡(luò)峰值[6]，利用兩者峰值差值求解，為了避免數(shù)據(jù)在計(jì)算及存儲(chǔ)方面的消耗時(shí)間可能對系統(tǒng)測量結(jié)果造成誤差，以及峰值出現(xiàn)平緩難以檢測情況，本文采用峰值檢測電路處理后的波形重心法[7]，保證了較高的準(zhǔn)確性及抗干擾能力。峰值檢測電路如圖6所示，用于得到接收信號(hào)的包絡(luò)線，通過STM32的A/D口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，利用中位值濾波算法進(jìn)行求解，增加結(jié)果的準(zhǔn)確性。檢測電路先對波形進(jìn)行了半波整流，再由低通濾波器濾除高次諧波成分。

圖6 峰值檢測電路

通過峰值檢測電路處理后，進(jìn)行放大，可以得到圖7所示的處理波形?？芍娐诽幚硇Ч^好，峰值兩側(cè)基本呈對稱，單片機(jī)對包絡(luò)波形的峰值區(qū)進(jìn)行取值計(jì)算作為峰值。

圖7 峰值檢測處理放大波形

2.8 溫度補(bǔ)償模塊

實(shí)際測量時(shí)，超聲波傳播速度受溫度影響較大[5，8]，傳播速度數(shù)值差異較大。為了提高測量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路[9，10]。已知超聲波傳播速度與絕對溫度T的關(guān)系為c=331.45+0.607T。

溫度補(bǔ)償電路采用DS18B20芯片，工作電壓5 V，同時(shí)通過軟件編程設(shè)置，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2.9 通信設(shè)置

為了便于同上位機(jī)的通信處理，設(shè)計(jì)了RS—485串行半雙工通信接口，利用SP3485芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)控制，同時(shí)充分利用系統(tǒng)中FC—09G風(fēng)速風(fēng)向儀的通信功能，通過RS—485與上位機(jī)連接，在上位機(jī)上使用專門軟件Monitor設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向儀。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括主程序、溫度采集程序、數(shù)值計(jì)算程序、中斷程序等。

系統(tǒng)首先由單片機(jī)發(fā)出工作開始信號(hào)，啟動(dòng)風(fēng)速風(fēng)向儀開始超聲波的發(fā)射與接收工作，同時(shí)啟動(dòng)A/D采集程序和中斷定時(shí)功能，一旦接收數(shù)據(jù)即開始數(shù)值計(jì)算和中值濾波處理，溫度采集程序提供誤差補(bǔ)償，最后將計(jì)算結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。程序處理流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主流程

4 實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)

為了保證實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，需要對該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行前期校準(zhǔn)以改正設(shè)計(jì)中可能存在的誤差?？紤]該系統(tǒng)工作環(huán)境及相關(guān)因素，本次系統(tǒng)風(fēng)速校準(zhǔn)環(huán)境為:溫度為23.5 ℃，濕度48 %RH，大氣壓強(qiáng)1 007.0 hPa；風(fēng)向校準(zhǔn)環(huán)境為:溫度23.2 ℃，濕度49 %RH，大氣壓強(qiáng)1 007.0 hPa。表1、表2分別為風(fēng)速、風(fēng)向?qū)嶒?yàn)校準(zhǔn)結(jié)果。

表1 風(fēng)速實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn) m/s

表2 風(fēng)向校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文敘述了基于STM32為核心的風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì)，選擇自主激發(fā)接收一體的風(fēng)速風(fēng)向儀，電流傳輸模式使得采集信號(hào)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的精準(zhǔn)傳輸，較高的單片機(jī)采樣頻率保證了采樣的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，精密電路設(shè)計(jì)及芯片選擇較好地處理保存測量信息，同時(shí)也給軟件設(shè)計(jì)帶來簡化。為了更好地增加測量的準(zhǔn)確性，還需要進(jìn)一步對電路產(chǎn)生的延遲進(jìn)行進(jìn)一步研究。