一种北斗定位超声波测风仪的制作方法

本实用新型涉及超声波测风技术领域，特别是一种北斗定位超声波测风仪。

背景技术：

超声波测风是气象测量中一种十分重要的测风方法，其中稳定和准确性是超声波测风的关键。

在当今社会，测风的准确性对于人们的出行活动以及生产生活有较大的影响，例如在民航运输和海洋航行中，风对飞机的起落和船的航行影响很大。风的测量有多种，常见的有机械式风轮测量法和超声测量法。机械式测量容易磨损，而且需要经常维护，最重要的是对风向不敏感，只适应于测定较大的风速，精度低，测风条件恶劣时极易损坏，给维护带来不便。而超声波测量方法的传感器无活动部件，并且抗污染和腐蚀。能在恶劣的风力和气候条件下精确测定并提供可靠的数据，而无需定期维护。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题为：提供一种北斗定位超声波测风仪，其能够同时满足测风与定位的需求，且测风精度高，能够适应恶劣的气象环境。

本实用新型采取的技术方案具体为：一种的北斗定位超声波测风仪，包括微处理器，超声波测风模块、北斗定位模块和显示模块；

超声波测风模块包括依次连接的超声波驱动电路、超声波传感器和信号处理电路；超声波传感器包括由两对超声波探头分别组成的两路超声波传感通道，每对超声波探头相对设置，且每对超声波探头所在直线与另一对超声波探头所在直线相交；信号处理电路包括信号采集电路、滤波电路、放大电路、AD转换电路和数据缓存器；

微处理器控制超声波驱动电路向超声波传感器输出驱动信号，超声波传感器接收上述驱动信号并输出超声波模拟信号至信号处理电路，信号处理电路对接收到的超声波模拟信号进行处理后，输出至AD转换电路转换成超声波数字信号，进而传输至数据缓存器；数据缓存器的输出端连接微处理器；

北斗定位模块的输出端和显示模块的输入端分别连接微处理器。

本实用新型超声波测风部分依据的原理为：超声波传播速度与介质密度有关，风速由气压变化引起，因而引起空气密度变化，同时风向对超声波传播路径也有一定影响，进而影响超声波传播速度。超声波驱动电路、超声波传感器、北斗定位模块皆为现有产品，信号处理电路中各功能电路均可采用现有功能电路模块或参考现有电路技术。

本实用新型在应用时，两对不同方向设置的超声波传感探头可分别用于实现对所在方向的风速和风速分量进行测量，根据测量到的数据，利用二维合成原理即可得到实时的风速值和风向值。同时，本实用新型的北斗定位模块可获得当前位置信号，超声波测风模块可获得实时风速风向等数据，且显示模块可实时显示当前位置信号和与风相关的数据，满足相当多种场合同时需要的定位和测风的需求。

此外，由于气温、空气湿度等引起空气密度变化的因素也会影响超声波传播速度，因此，本实用新型还包括温湿度采集模块，温湿度采集模块采集温度和湿度信号传输至微处理器。微处理器可根据当前温度和湿度数据，对风力、风速等风的相关数据进行温湿度补偿，测风数据的温湿度补偿为现有技术。

优选的，本实用新型超声波测风模块中，构成两路超声波传感通道的两对超声波探头所在直线相互垂直。

优选的，每一路超声波传感通道的超声波探头对分别采用收发一体式超声波传感器实现。如型号为DYA-125-02A的超声波传感器，其具有可控制超声波方向的驱动控制端和信号输出端，只需改变输入至其驱动控制端的驱动信号，即可改变其超声波发射-接收的方向。

基于上述超声波传感器的选择，本实用新型的超声测风模块中，超声波驱动电路包括正向驱动电路、反向驱动电路和驱动方向选择开关；所述正向驱动电路和反向驱动电路通过驱动方向选择开关连接超声波传感器的驱动控制端；微处理器控制驱动方向选择开关的选择切换，以使得超声波传感器接收到的驱动信号在正向驱动信号和反相驱动信号之间切换。驱动方向选择开关可采用现有电子开关，微处理器对电子开关的控制为现有技术。能够实现超声波传感器正向驱动和反向驱动的正向驱动电路和反向驱动电路可采用现有电路。

更进一步的，本实用新型中，各超声波传感器的输出端分别连接一个信号处理电路。两路超声波传感通道采集到的超声波模拟信号分别进行信号的采集、放大和滤波，然后传输至微处理器。

优选的，本实用新型所述数据缓存器采用FIFO数据缓存器，其先入先出的机制可很好的适应本实用新型对采集数据的实时性要求。

优选的，本实用新型中，微处理器采用C51单片机；显示模块采用12864液晶显示屏；北斗定位模块包括BD228北斗模块和其上连接的BG625接收天线。

有益效果

本实用新型采用超声波测风模块测量出当前的风速风向等数据，采用北斗定位模块采集定位数据，能够满足多种场合同时需要的定位和测风的需求。具体的，本实用新型通过C51单片机实施控制，然后将结果数据显示在显示屏上，可方便用户更直观获知相关信息。本实用新型的测风仪可以实现精确的测量和交底的成本投入，能够适应恶劣的气象环境，在气象测量领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1所示为本实用新型原理结构示意框图；

图2所示为本实用新型一种具体实施例的原理结构示意框图；

图3所示为超声波驱动电路结构示意图；

图4所示为信号采集电路及部分信号处理电路结构示意图；

图5所示为超声波传感器测量原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图1所示，本实用新型的北斗定位超声波测风仪，包括微处理器，超声波测风模块、北斗定位模块和显示模块；

超声波测风模块包括依次连接的超声波驱动电路、超声波传感器和信号处理电路；超声波传感器包括由两对超声波探头分别组成的两路超声波传感通道，每对超声波探头相对设置，且每对超声波探头所在直线与另一对超声波探头所在直线相交；信号处理电路包括信号采集电路、滤波电路、放大电路、AD转换电路和数据缓存器；

微处理器控制超声波驱动电路向超声波传感器输出驱动信号，超声波传感器接收上述驱动信号并输出超声波模拟信号至信号处理电路，信号处理电路对接收到的超声波模拟信号进行处理后，输出至AD转换电路转换成超声波数字信号，进而传输至数据缓存器；数据缓存器的输出端连接微处理器；

北斗定位模块的输出端和显示模块的输入端分别连接微处理器。

超声波驱动电路、超声波传感器、北斗定位模块皆可采用现有产品，信号处理电路中各功能电路均可采用现有功能电路模块或参考现有电路技术。在应用时，北斗定位模块可获得当前位置信号，超声波测风模块可获得实时风速风向等数据，且显示模块可实时显示当前位置信号和与风相关的数据，满足相当多种场合同时需要的定位和测风的需求。

实施例

由于气温、空气湿度等引起空气密度变化的因素也会影响超声波传播速度，因此，本实用新型还包括温湿度采集模块，温湿度采集模块采集温度和湿度信号传输至微处理器。微处理器可根据当前温度和湿度数据，对风力、风速等风的相关数据进行温湿度补偿，测风数据的温湿度补偿为现有技术。

本实施例中数据缓存器采用FIFO数据缓存器，其先入先出的机制可很好的适应本实用新型对采集数据的实时性要求。微处理器采用C51单片机；显示模块采用12864液晶显示屏；北斗定位模块包括BD228北斗模块和其上连接的BG625接收天线。

参考图5所示，AB为一对超声波探头，CD为一对超声波探头，分别对应其所在方向上的风数据测量。本实施例中，构成两路超声波传感通道的两对超声波探头所在直线相互垂直。优选的，每一路超声波传感通道的超声波探头对分别采用收发一体式超声波传感器实现，如型号为DYA-125-02A的超声波传感器，其具有可控制超声波方向的驱动控制端和信号输出端，只需改变输入至其驱动控制端的驱动信号，即可改变其超声波发射-接收的方向。

基于上述超声波传感器的选择，本实施例的超声测风模块中，参考图2所示，超声波驱动电路包括正向驱动电路、反向驱动电路和驱动方向选择开关；正向驱动电路和反相驱动电路分别通过非门U1A接收微处理器发出的脉冲信号；正向驱动电路由U1E和U1F组成，反向驱动电路包括U1B、C1、R1、U1C、C2、R2、U1D，两个驱动电路输出的驱动信号可分别控制超声波传感探头处于发射状态或接收状态，对应正向工作或反向工作。

所述正向驱动电路和反向驱动电路通过驱动方向选择开关连接超声波传感器的驱动控制端；微处理器控制驱动方向选择开关的选择切换，以使得超声波传感器接收到的驱动信号在正向驱动信号和反相驱动信号之间切换。驱动方向选择开关可采用现有电子开关，微处理器对电子开关的控制为现有技术。能够实现超声波传感器正向驱动和反向驱动的正向驱动电路和反向驱动电路可采用现有电路。

参考图2所示，本实施例中各超声波传感器的输出端分别连接一个信号处理电路。两路超声波传感通道采集到的超声波模拟信号分别进行信号的采集、放大和滤波，然后传输至微处理器。参考图4所示，超声波传感器输出的超声波模拟信号由Receive节点进入信号采集电路，然后进行放大和滤波，之后再进行AD转换和缓存(未示出)。

本实用新型的工作原理为：微处理器产生标准的方波信号，经过超声波驱动电路输出用于驱动超声波传感器的正向驱动信号或反向驱动信号，然后经过驱动方向选择开关的切换控制两路传感通道的传感器超声波发射-接收的方向。参考图5所示，以探头对AB为例，若选择正向驱动，则超声波收发方向为A→B，若选择反向驱动，则超声波收发方向为A←B，由此可分别测得两相反方向上超声波传播的时间及时间差，进而可计算出该方向上的风速分量。分别对AB方向和CD方向上的风速数据进行测量，测得的风矢量就是在两个方向上的风速的分量值，然后根据二维合成的原理就可以得到该时的风速值和风向。

以超声波传感探头对CD为例进行说明，假设有气流速度为的2个分量为即假设风速沿x正方向的分量为正方向，两个探头之间的距离为L，c为超声波声速，t₁，t₂分别为超声波收发方向为D→C和C→D所用的时间；则

则

同理可测得v_y，进而可得到气流速度大小为方向为

同时微处理器接收北斗导航模块定位信息，并读取当前时间的温度和湿度进行风速补偿计算，得到更为准确的风速风向值。关于风速的温度和湿度补偿为现有技术。

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形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。