超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

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(lèi)繁多，工作原理和性能各不相同，其中使用較多的是機(jī)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(jī)械式風(fēng)速儀的測(cè)量部分是旋轉(zhuǎn)部件，在強(qiáng)風(fēng)和長(zhǎng)期暴露于室外的工作環(huán)境下容易磨損，而且存在“過(guò)高效應(yīng)”[1]，致使其測(cè)量精度不高，使用條件受到制約。近年來(lái)，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(cè)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(wú)機(jī)械部件，壽命長(zhǎng)，而且有的精度很高，正在逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速儀，應(yīng)用越來(lái)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(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用，而且能準(zhǔn)確測(cè)出自然風(fēng)中陣風(fēng)脈動(dòng)的高頻成分。較之傳統(tǒng)的機(jī)械式及基于激光多普勒、空速管、熱線等技術(shù)的測(cè)量方法，基于時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量技術(shù)具有無(wú)啟動(dòng)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(wú)機(jī)械磨損、易于安裝維護(hù)、不需校正等優(yōu)點(diǎn)[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(shí)，風(fēng)對(duì)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(shí)，順風(fēng)和逆風(fēng)傳播存在時(shí)間差，且時(shí)間倒數(shù)差與待測(cè)風(fēng)速成線性關(guān)系。實(shí)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(cè)量超聲波在兩相對(duì)方向上的傳播時(shí)間，得到順風(fēng)或者逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過(guò)軟件換算即得到風(fēng)速值。如圖1，用超聲脈沖激勵(lì)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(zhǎng)。在有風(fēng)條件下，超聲波在制定矢量路徑上的傳播時(shí)間為：

圖1 超生波測(cè)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(shí)間：

1 測(cè)速測(cè)向裝置工作原理

1.1 時(shí)差法測(cè)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(cè)量?jī)蓷l路徑傳播的時(shí)間差來(lái)獲得風(fēng)速信息，將反饋信息以LCD顯示和語(yǔ)音播報(bào)的形式反饋給終端。為了實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向采樣，需要系統(tǒng)具有較強(qiáng)的計(jì)算和處理能力。

在聲速c、間距L及傳播時(shí)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(guò)軟件處理即可得出風(fēng)速風(fēng)向信息。

在超聲的傳播過(guò)程中，許多因素會(huì)對(duì)傳播速度造成影響，壓強(qiáng)、介質(zhì)密度、風(fēng)向、溫度等因素都會(huì)通過(guò)影響速度進(jìn)而影響距離測(cè)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(duì)靈敏度要求較高，因此在選擇測(cè)量長(zhǎng)度L時(shí)還應(yīng)考慮超聲波的強(qiáng)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(jì)框架

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

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

1.3 軟件模塊設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

利用MSP430時(shí)鐘頻率可設(shè)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用計(jì)量精度為0.125 ns的定時(shí)器，理論上測(cè)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(cè)量的隨機(jī)誤差，避免測(cè)量失真，系統(tǒng)在一次測(cè)量中使換能器發(fā)射八段等時(shí)差的脈沖，計(jì)算它們到達(dá)時(shí)間的平均值。

當(dāng)接收到MSP430開(kāi)始測(cè)量的命令之后，S1發(fā)射信號(hào)，S2接收，將獲得的時(shí)間數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(chǔ)存在數(shù)組Y（南北方向）。重復(fù)10次，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出兩個(gè)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(duì)10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大和最小的4個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)中間的6個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。最后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和計(jì)算從而得到風(fēng)速。正交方向上的風(fēng)速經(jīng)過(guò)三角計(jì)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(jī)模塊

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（MixedSignal Processor）[5]。該系列單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖3 MSP430單片機(jī)Fig.3 Single-chip microcomputer MSP430

2.2 超聲波驅(qū)動(dòng)模塊

超聲波驅(qū)動(dòng)模塊采用IO口TRIG觸發(fā)，給予至少10μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)信號(hào)返回[6]。超聲波時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 超聲波時(shí)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(duì)所得結(jié)果進(jìn)行修正。溫度傳感模塊采用DS18B20溫度傳感器，通過(guò)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(guò)LCD12864顯示屏顯示。帶中文字庫(kù)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(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；可以顯示8×4行16×16點(diǎn)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(lèi)型的圖形點(diǎn)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(jiǎn)潔得多。LCD12864具有20個(gè)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(gè)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(dú)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(jìn)方案

3.1 應(yīng)用前景

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

1）采用單向時(shí)差，在測(cè)量流體強(qiáng)度信息的同時(shí)可以測(cè)量其方向信息；

2）測(cè)量部位不需要進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無(wú)磨損，可靠性好；

3）可以測(cè)量大尺度范圍的流體矢量信息，測(cè)量數(shù)據(jù)價(jià)值性高；

4）能耗低，具有工作/待機(jī)兩種工作模式；

5）測(cè)量范圍寬，不需要啟動(dòng)風(fēng)速測(cè)量結(jié)果經(jīng)計(jì)算；

6）處理可輸出瞬時(shí)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(yáng)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(jī)槳軸尾部裝配超聲波測(cè)速測(cè)向儀，根據(jù)測(cè)得的風(fēng)向風(fēng)速信息驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)整槳面至最佳方向，提高風(fēng)能利用效率。

3.2 存在問(wèn)題和改進(jìn)方案

雖然超聲波測(cè)速測(cè)向儀相比于傳統(tǒng)的測(cè)量方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著對(duì)測(cè)量環(huán)境、器型設(shè)計(jì)、加工要求高等缺點(diǎn)。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(duì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的影響對(duì)超聲測(cè)風(fēng)儀推廣使用和設(shè)計(jì)也是極其重要的[7]。

因此對(duì)本儀器的改進(jìn)應(yīng)著重在以下幾點(diǎn)：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(lái)的誤差；加入溫度自控制模塊和無(wú)線反饋模塊，提高對(duì)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(yǔ)

綜上所述，超聲波風(fēng)信息測(cè)量裝置是未來(lái)風(fēng)速測(cè)量?jī)x器的一個(gè)重要發(fā)展方向。基于時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置設(shè)計(jì)以MSP430微控制器為核心，詳細(xì)闡述了各個(gè)外圍接口電路的設(shè)計(jì)和超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合國(guó)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(jìn)設(shè)計(jì)方案并制作出經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置。

[1]彭艷，張宏升，許飛，等.風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)測(cè)風(fēng)誤差的分析研究與訂正方法[J].氣象水溫海洋儀器，2003（2）：1-11.PENG Yan，ZHANG Hong-sheng，XU Fei，et al.The studying and correction for the overspeed of the anemometer[J].Meteorological Hydrological and Marine，2003（2）：1-11.

[2]王銀峰，陶純匡，汪濤，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工作出版社，2005.

[3]金晶，唐慧強(qiáng).基于ARM的超聲波風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（6）：101-106.JIN Jing，TANG Hui-qiang.Design of ultrasonic wind velocity measurement system based on ARM[J].Instrument Technique and Sensor，2009（6）：101-106.

[4]曹可勁，崔國(guó)恒，朱銀兵.超聲波風(fēng)速儀理論建模與分析[J].聲學(xué)技術(shù)，2010，29（4）：388－391.CAO Ke-jin，CUI Guo-heng，ZHU Yin-bing.Modeling and analysis of ultrasonic anemometer[J].Technical Acoustics，2010，29（4）：388－391.

[5]楊平，王威.MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2008，27（12）：48－50.YANG Ping，WANG Wei.Feature and application of the MSP430 serial ultra-low-power MCU[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2008，27（12）：48－50.

[6]HY－SRF05超聲波模塊手冊(cè)[Z].2012.

[7]鄧昌建，張江林，王保強(qiáng).超聲波測(cè)風(fēng)儀設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（5）：581－583.DENG Chang-jian，ZHANG Jiang-lin，WANG Bao-qiang.Discussion of several design problems of ultrasonic wind speed and directional monitor[J].Journal of Chengdu University Of Information Technology，2007，22（5）：581－583.