超声波风速风向测量装置的制作方法

本实用新型属于超声波测量技术领域，具体涉及一种超声波风速风向测量装置。

背景技术：

随着时代的发展,风速风向测量广泛应用于科学实验和工业生产之中，特别在气象领域，高精度风速风向测量更是有着不可忽视的作用。目前，风速风向测量方法主要分为三类，第一类：翼状风速计和杯状风速计，但这类测量方式受限于机械摩擦的阻力，多应用于风速较大的情况；第二种：热敏风速计，但测量方式局限于人为的干预，会严重影响测量结果的准确性；第三种：超声波测风仪，它是一种高精度风速风向测量的仪器。现有技术中，超声波测风仪得到越来越广泛的应用。

超声波测风方法主要有时差法、多普勒法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。但现有技术中，常用的基于时差法的超声波测风仪由于装置本身结构的原因很大程度上会影响风速、风向测量结果的准确性。例如，传统测风仪的温度传感器封装在器件内，无法精确测量外界的冷暖气流；并且放置在装置内部，所测温度会受内部电路发热的影响；在装置上，超声波传感器上方位置缺少保护措施也会严重影响测量精度，此外，当风度较大时会引起超声波传感器的震动，会造成收发传感器之间固定距离发生变化；再者，超声波测风仪仍然广泛地釆用传统的8/16位单片机，使得测量精度偏低。

综上所述，现有技术中超声波测风仪或超声波测风装置仍存在测量结果不准确问题急需解决。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种超声波风速风向测量装置，解决了现有技术中超声波传感器容易受外界温度或震动影响导致测量精度不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种超声波风速风向测量装置，其特征是，包括安装座、超声波传感器、温度传感器和设置在安装座内的风速风向测量单元，安装座的正上方设有圆形防护罩，安装座的四周均匀排列有四个支柱，四个支柱与安装座的连接处设有加强筋，四个支柱的顶端与防护罩固接，每个支柱上固定有超声波传感器，四个超声波传感器分为两组，分别布置于同一水平面内正交的两个轴线上，两两水平相对，温度传感器设置在安装座上正对防护罩的表面，温度传感器的上方设有保护罩，两组超声波传感器分别连接风速风向测量单元，温度传感器的输出端连接风速风向测量单元，风速风向测量单元依据两组超声波传感器之间的距离、传输时间以及温度信号，获得当前温度下的风速和风向。

进一步的，所述风速风向测量单元包括超声波驱动接收电路、信号处理模块、FPGA采集模块、ARM处理器和显示模块，超声波驱动接收电路分别连接四个超声波传感器，用于发送驱动信号打开超声波传感器的发射或接收通道；FPGA采集模块依次连接信号处理模块和超声波驱动接收电路，信号处理模块用于对信号进行滤波放大处理，FPGA采集模块采集两组超声波传感器之间的传输时间输出至ARM处理器，温度传感器的输出端连接ARM处理器，显示模块的输入端连接ARM处理器。

进一步的，所述风速风向测量单元还包括串口通信模块和上位机，ARM处理器通过串口通信模块与上位机连接。

进一步的，所述信号处理模块包括二阶有源低通滤波器。

进一步的，所述温度传感器包括温度检测电路和放大电路，温度检测电路包括热敏电阻PT100，放大电路包括运算放大器AD620，温度检测电路输出电压信号经放大电路放大后输入ARM处理器。

进一步的，还包括电源模块，电源模块包括5V电压源和降压电路，降压电路包括HT7133稳压芯片，5V电压源经降压电路输出3.3V电压，为超声波数据采集模块和ARM处理器供电。

进一步的，HT7133稳压芯片的输入端与接地端之间连接有2.2μF电容，输出端与接地端之间并联4.7μF电容和0.1μF电容。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：本实用新型装置在安装座的正上方设有圆形防护罩，可以完全遮盖住超声波传感器，能够有效防止恶劣环境对超声波传感器的影响；四个支柱与安装座的连接处设有加强筋，可以防止风速过大而引起支柱的震动影响测量精度。温度传感器设置在安装座的外面，可以精确测量外界的冷暖气流，并且温度传感器的上方设有保护罩，可以保护温度传感器，防止易损。本实用新型硬件上采用ARM+FPGA的结构，满足了高速的时钟信号的测量，同时32位的微处理器符合高速信号处理性能，这种方式可以提高对接收信号的采样精度。本实用新型结构简单、成本低、方案易实现，具有很高实用价值，便于推广使用。

附图说明

图1是本实用新型超声波风速风向测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型超声波风速风向测量装置的原理框图。

图3是信号处理模块的电路图。

图4是放大电路的电路图。

图5是电源模块的电路图。

附图标记：1、安装座；2、支柱；3、超声波传感器；4、防护罩；5、温度传感器；6、保护罩；7、加强筋。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的一种超声波风速风向测量装置，包括安装座1、超声波传感器3、温度传感器5和设置在安装座1内的风速风向测量单元，安装座1的正上方设有圆形防护罩4，安装座1的四周均匀排列有四个支柱2，四个支柱2与安装座1的连接处设有加强筋7，将支柱2与安装座1进行加固处理，防止风速过大而引起支柱2的震动影响测量精度。四个支柱2的顶端与防护罩4固接，每个支柱2上固定有超声波传感器3，四个超声波传感器3分为两组，分别布置于同一水平面内正交的两个轴线上，两两水平相对，防护罩4罩在支柱2的上端，可以完全遮盖住超声波传感器3，能够有效防止恶劣环境对超声波传感器的影响。温度传感器5设置在安装座1上正对防护罩4的表面，可以精确测量外界的冷暖气流，并且温度传感器5的上方设有保护罩6，可以保护温度传感器，防止易损。

两组超声波传感器3分别连接风速风向测量单元，温度传感器5的输出端连接风速风向测量单元，风速风向测量单元依据两组超声波传感器之间的距离、传输时间以及温度信号，获得当前温度下的风速和风向。

超声波风速风向测量装置的原理框图如图2所示，风速风向测量单元包括超声波驱动接收电路、信号处理模块、FPGA采集模块、ARM处理器和显示模块，超声波驱动接收电路分别连接四个超声波传感器，用于发送驱动信号打开超声波传感器的发射或接收通道，FPGA采集模块依次连接信号处理模块和超声波驱动接收电路，FPGA采集模块采集两组超声波传感器之间的传输时间输出至ARM处理器，温度传感器的输出端连接ARM处理器，显示模块的输入端连接ARM处理器。

其中ARM处理器可采用现有技术中STM32F103ZET6芯片，ARM架构，32位处理器，处理能力强，功耗低，且自带AD转换接口；FPGA采集模块采用现有技术中EP2C8Q208C8芯片，内部采用高精度有源晶振，能够完成输出精准脉冲信号和精准的计时功能，与ARM处理器通过SPI或FSMC进行数据传输；硬件上采用ARM+FPGA的结构，满足了高速的时钟信号的测量，同时32位的微处理器符合高速信号处理性能，这种方式可以提高对接收信号的采样精度。显示模块可以采用现有技术中常用的显示屏，设置在安装座的侧壁上，方便用户查看当前温度、风速和风向。

超声波驱动接收电路接受FPGA采集模块的控制指令，发送驱动信号打开或关闭超声波传感器的发射或接收通道。

信号处理模块包括二阶有源低通滤波器，其电路图参考图3，包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2和电阻R3。超声波传感器接收的信号经信号处理模块进行滤波和放大处理，调整为完整的方形波，能够提高信号的识别度。运算放大器采用MAX4416芯片，能够保证信号的不失真性，而且转换速率快。

温度传感器包括温度检测电路和放大电路，温度检测电路包括热敏电阻Pt100，放大电路包括运算放大器AD620，温度检测电路输出电压信号经放大电路放大后输入ARM处理器。温度检测电路中包括一个恒流源电路使得通过Pt100 的电流恒定不变，这时当温度变化时Pt100 的阻值发生变化，电压也就能发生相应的线性变化，只要通过对Pt100两端的电压进行采集就能测得外界环境的温度。温度检测电路输出的电压信号经放大电路进行滤波和放大，放大电路的原理图参考图4，AD620运算放大器具有良好的放大能力，AD620的增益接口RG之间连接电阻R5，通过电阻R5的阻值来调整增益，增益范围比较宽，可达到1000倍。AD620运算放大器的电压范围比较宽，正电压范围为2.3V~18V，负电压范围为-18V~-2.3V，利于电路的匹配。AD620输出的模拟电压信号输入ARM处理器的AD转换接口进行模数转换，ARM处理器根据电压信号的数值和Pt100电阻的温度阻值特性，可以得到当前的温度。

本实用新型的工作过程为，令四个超声波传感器分别为位于西方位的超声波传感器一，位于东方位的超声波传感器三，位于南方位的超声波传感器二和位于北方位的超声波传感器四，超声波传感器三和一为一组，位于东西方位，设为x轴，超声波传感器四和二为一组，位于南北方位，设为y轴，FPGA采集模块采用有源晶振，输出频率为50HZ的脉冲信号，控制超声波驱动接收电路，先打开东西方向的超声波传感器一的发送通道、超声波传感器三的接收通道，FPGA采集模块测得超声波传输时间，关闭当前的收发通道，然后打开超声波传感器三的发送通道、超声波传感器一的接收通道，测得超声波传输时间，FPGA采集模块将采集的传输时间和发送至ARM处理器，ARM处理器根据已知的超声波传感器一和三之间的距离，可计算得x轴方向的风速，同理，南北方向的超声波传感器二和四重复测量过程，测得传输时间和，ARM处理器可计算得y轴方向的风速，在计算x轴方向和y轴方向风速的矢量和得到实际风速，设x轴正方向为0°，根据x轴方向风速与风速的关系可得此刻的风向。温度传感器测得外界的温度发送至ARM处理器，ARM处理器获得当前的温度，ARM处理器将当前的温度、风速和风向数据输出至显示模块进行显示。

作为优选实施例，风速风向测量单元还包括串口通信模块和上位机，ARM处理器通过串口通信模块与上位机连接，ARM处理器将计算出的风速、风向和温度数据通过串口上传至上位机中，在上位机中对风速、风向和温度进行修正，例如现有技术中利用上位机中Matlab软件进行拟合，得到更精确的计算公式，将公式传回ARM处理器中计算得到修正后的风速、风向和温度数值，ARM处理器也可以将最终计算得到的风速、风向和温度数值上传到上位机中进行存储。串口通信模块采用RS232通信方式。

进一步的，还包括电源模块，电源模块包括5V电压源和降压电路，降压电路包括HT7133稳压芯片，其电路图参考图5，5V电压源经降压电路输出3.3V电压，为FPGA采集模块和ARM处理器供电。HT7133稳压芯片的输入端与接地端之间连接有2.2μF电容，消除5V电压源供电不稳而引起的信号干扰，输出端与接地端之间并联4.7μF电容和0.1μF电容，起到了滤除3.3V输出电源和地之间干扰信号的作用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。