超声波风速风向测量装置的设计

张广斌，王斌斌，陈玉林，张 超

（南京航空航天大学 理学院，江苏 南京211100）

风矢量是基本的气象要素之一，也是大气边界层最基本的特征量之一。当前所使用的风速仪种类繁多，工作原理和性能各不相同，其中使用较多的是机械式风速仪，例如常用的风杯式和螺旋桨式风速仪。但由于机械式风速仪的测量部分是旋转部件，在强风和长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，而且存在“过高效应”[1]，致使其测量精度不高，使用条件受到制约。近年来，随着电子技术的发展，出现了许多新的风速风向测量方式，如激光风速仪、超声波风速仪、高集成度的MEMS风速仪等等，这些新型风速仪体积较小，无机械部件，寿命长，而且有的精度很高，正在逐步取代传统机械式风速仪，应用越来越广泛。

超声波风速仪是新型风速仪中性能较为突出的一种，精度普遍为0.1 m/s，不仅结构简单、坚固耐用，而且能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分。较之传统的机械式及基于激光多普勒、空速管、热线等技术的测量方法，基于时差法的超声波风速风向测量技术具有无启动风速、反应速度快、量程广、盲区小、线性度好、精度高和无机械磨损、易于安装维护、不需校正等优点[2]。

根据超声波在静态空气中的传播特性，声速近似为340 m/s、风速小于30 m/s时，风对声速的影响近似成线性关系[3]。因此，超声波在空气中传播固定距离时，顺风和逆风传播存在时间差，且时间倒数差与待测风速成线性关系。实际应用中，保持超声波发射和接收装置的距离不变，以固定频率发射超声波，测量超声波在两相对方向上的传播时间，得到顺风或者逆风的传播速度，经过软件换算即得到风速值。如图1，用超声脉冲激励超声探头（换能器S）向外辐射超声波，换能器N接收超声波脉冲。设空气中声速为c，风速为v，换能器轴线与风向的夹角为θ，换能器间距为L。在有风条件下，超声波在制定矢量路径上的传播时间为：

图1 超生波测量原理图Fig.1 Principle diagram of ultrasonic measurement

在与传感器轴向垂直方向上放置另一组超声波收发装置，超声波在此装置轴向上的传播时间：

1 测速测向装置工作原理

1.1 时差法测量原理

利用超声波在顺风和逆风方向上传播速度的不同，测量两条路径传播的时间差来获得风速信息，将反馈信息以LCD显示和语音播报的形式反馈给终端。为了实现瞬时的风速风向采样，需要系统具有较强的计算和处理能力。

在声速c、间距L及传播时间已知的情况下，可得到风速在两组传感器轴向方向上的速度分量。经过软件处理即可得出风速风向信息。

在超声的传播过程中，许多因素会对传播速度造成影响，压强、介质密度、风向、温度等因素都会通过影响速度进而影响距离测量，一般工程上只考虑温度影响，近似有c=331.4+0.607T。由于本仪器对灵敏度要求较高，因此在选择测量长度L时还应考虑超声波的强度A与L的关系：A=A0e-al，其中α是衰减因子[4]。

1.2 系统设计框架

系统设计采用MSP430作为核心处理器。如图2所示，MSP430通过IO接口控制超声波驱动模块，发射超声波，接收探头接受到超声波信号后，通过超声波驱动模块反馈给MSP430，得到传播时间，结合温度传感器采集的温度数据，经过软件计算和输出设置，由LCD显示测量结果。

图2 总体设计框架图Fig.2 General frame diagram

1.3 软件模块设计及数据处理

利用MSP430时钟频率可设的特点，系统采用计量精度为0.125 ns的定时器，理论上测量精度由普遍的0.1 m/s提高到0.03~0.05 m/s。为了减少单次测量的随机误差，避免测量失真，系统在一次测量中使换能器发射八段等时差的脉冲，计算它们到达时间的平均值。

当接收到MSP430开始测量的命令之后，S1发射信号，S2接收，将获得的时间数据储存在数组X（东西方向）。然后由S3发射，S4接收，将得到数据储存在数组Y（南北方向）。重复10次，经过数据处理计算出两个垂直方向的风速和方向信息。数据处理的内容包括对10个数据进行排序，去掉最大和最小的4个数据。对中间的6个数据进行平均。最后的数据经过补偿和计算从而得到风速。正交方向上的风速经过三角计算，合成水平面上的风速和风向。

2 系统硬件结构

2.1 单片机模块

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignal Processor）[5]。该系列单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等诸多优点。

图3 MSP430单片机Fig.3 Single-chip microcomputer MSP430

2.2 超声波驱动模块

超声波驱动模块采用IO口TRIG触发，给予至少10μs的高电平信号，模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测有无信号返回[6]。超声波时序图如图4所示。

图4 超声波时序图Fig.4 Sequence diagram of ultrasonic

2.3 DS18B20温度传感模块

由于超声波的传播速度跟温度有关，所以系统需要添加温度传感模块，并利用温度数据对所得结果进行修正。温度传感模块采用DS18B20温度传感器，通过IO口连接MSP430。电路原理图如图5所示。

图5 温度传感器模块Fig.5 Driver of temperature sensor

2.4 LCD液晶显示模块

系统的输出结果通过LCD12864显示屏显示。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。LCD12864具有20个管脚，与MSP430连接的电路原理图如图6所示。

图6 LCD电路连接原理图Fig.6 Principle diagram of LCD circuit

2.5 电压转换模块

为了给MSP430芯片以及其他用电设备提供一个稳定的直流电压，需要电源稳压模块。但由于普通芯片或者外围设备的工作电压为5 V，而MSP430所需的电压为3.3 V，所以系统需要单独为MSP430芯片添加电压转换模块。具体的电路原理图如图7所示。

图7 电压转换电路原理图Fig.7 Principle diagram of voltage translation

3 应用前景及改进方案

3.1 应用前景

基于时差法的超声波测速测适于能够测定大尺度稀薄流体矢量信息。相对于传统的测量方式，具有如下优点：

1）采用单向时差，在测量流体强度信息的同时可以测量其方向信息；

2）测量部位不需要进行机械运动，无磨损，可靠性好；

3）可以测量大尺度范围的流体矢量信息，测量数据价值性高；

4）能耗低，具有工作/待机两种工作模式；

5）测量范围宽，不需要启动风速测量结果经计算；

6）处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值。

另外，由于其功率小，可采用太阳能供电，可广泛地应用于海航、气象、民航、公路、建筑、能源等行业。以能源行业为例，可以在大型风力发电机桨轴尾部装配超声波测速测向仪，根据测得的风向风速信息驱动风力发电机调整桨面至最佳方向，提高风能利用效率。

3.2 存在问题和改进方案

虽然超声波测速测向仪相比于传统的测量方式具有很多优点，但是也存在着对测量环境、器型设计、加工要求高等缺点。其次，分析超声波的传输特性和大气中的杂质、大气环境对风速风向测量的影响对超声测风仪推广使用和设计也是极其重要的[7]。

因此对本仪器的改进应着重在以下几点：使用高性能的探头，提高传感器的工艺水平，减少器件结构和探头带来的误差；加入温度自控制模块和无线反馈模块，提高对抗恶劣环境的能力；优化电路结构和算法，提高仪器稳定性。

4 结束语

综上所述，超声波风信息测量装置是未来风速测量仪器的一个重要发展方向。基于时差法的超声波风速风向测量装置设计以MSP430微控制器为核心，详细阐述了各个外围接口电路的设计和超声波风速风向测量的软件设计。结合国内外发展现状，在克服影响因素的前提下，我们应充分利用现代技术改进设计方案并制作出经济型、实用型的超声波风速风向测量装置。

[1]彭艳，张宏升，许飞，等.风杯风速计测风误差的分析研究与订正方法[J].气象水温海洋仪器，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]王银峰，陶纯匡，汪涛，等.大学物理实验[M].北京：机械工作出版社，2005.

[3]金晶，唐慧强.基于ARM的超声波风速测量系统[J].仪表技术与传感器，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.

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[6]HY－SRF05超声波模块手册[Z].2012.

[7]邓昌建，张江林，王保强.超声波测风仪设计中几个问题的探讨[J].成都信息工程学院学报，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.