一种超声波风速风向仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种超声波风速风向仪，它包括超声波传感器、发射驱动电路、液晶显示、信号检测电路、通道控制电路和电源模块，还包括FPGA主芯片，所述通道控制电路包括发射通道控制电路和接收通道控制电路，所述超声波传感器包括三对六个，各超声波传感器的控制端经发射通道控制电路、发射驱动电路连接FPGA主芯片的控制端，各超声波传感器的信号输出端经接收通道控制电路、信号检测电路连接FPGA主芯片的信号采集端；电源模块为FPGA主芯片供电，发射驱动电路、信号检测电路、液晶显示与FPGA主芯片连接。该实用新型提高了风速风向测量的灵敏度。
【专利说明】一种超声波风速风向仪
【技术领域】:
[0001]本实用新型涉及风速风向测量【技术领域】，具体涉及一种基于FPGA的超声波风速风向仪。
【背景技术】:
[0002]随着科学技术的发展，风速风向测量在许多领域发挥着愈来愈重要的作用，如环境监测、航海航空监测、桥梁隧道监测、农业灾害监控、风力发电等。在此背景下，风矢量测量仪器发展迅速，测量手段与方法日益丰富。常用的有风杯风速仪，它成本低，实用方便；但是机械装置体积较大，转动惯性会引起迟滞效应，响应速度慢，适合精度要求较低的场合；并且它存在转动部件，容易产生磨损；在低于启动风速的微风将无法测量。皮托管风速仪，皮托管结构简单、制造方便价格便宜，但是它属于单点，定常的接触式测量；侧风速时需要测出流体的密度，而流体的密度随温度的变化而变化，低风速段灵敏度低。热线热膜风速仪，热线热膜风速仪的工作原理是当风速变化时，金属丝或金属薄膜的温度随之改变，从而改变其电阻值，利用惠斯登电桥可以得到与风俗单调相关的输出信号；它具有体积小，对风场干扰小，无需进行稳压补偿，稳定可靠；但是它属于接触式测量，探针会对被测流畅流动产生一定扰动。
[0003]激光多普勒测速仪，由于它采用非接触式测量，对流场无干扰；空间分辨率高，能满足点测量的要求；但是其测量系统的组成较为复杂，实验流场需要透光，价格昂贵成本高。超声波风速风向测量方法，因为它属于非接触式测量，所以没有干扰风场，无压力损失，没有机械转动，不存在机械磨损，没有机械惯性，所以灵敏度高，输出特性为线性，易于实现数字化输出及风速值的计算。
【发明内容】
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[0004]为了解决传统风速风向仪测量时灵敏度低的问题，设计了一种基于超声波时差法的风速测量仪。它借助于alter公司高集成度的FPGA芯片的高速信号处理性能和较高的时钟频率，可以提高对接收信号的采样精度。这种测量仪大大地弥补了传统的机械式风速风向仪的灵敏度低的缺点。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种超声波风速风向仪，包括超声波传感器、发射驱动电路、液晶显示、信号检测电路、通道控制电路和电源模块，其特征是:还包括FPGA主芯片，所述通道控制电路包括发射通道控制电路和接收通道控制电路，所述超声波传感器包括三对六个，各超声波传感器的控制端经发射通道控制电路、发射驱动电路连接FPGA主芯片的控制端，各超声波传感器的信号输出端经接收通道控制电路、信号检测电路连接FPGA主芯片的信号采集端；电源模块为FPGA主芯片供电，发射驱动电路、信号检测电路、液晶显示与FPGA主芯片连接。
[0007]其中，FPGA主芯片采用EP4CE15F17C8N芯片；所述发射驱动电路采用双极性电压驱动；所述信号检测电路由0P37构成的两级运放电路、TL082构成的二阶带通滤波电路以及LM393构成的比较电路三部分组成。
[0008]FPGA主芯片还经标准RS232串口与上位机通信连接。液晶显示采用12864液晶显示器。超声波传感器型号是FUS200A。
[0009]三对超声波传感器分别沿空间直角坐标系的三个轴放置，沿同一坐标轴相向放置的两个超声波传感器为一对，来对该方向上的风速进行测量。每对沿坐标轴对称放置，即放在坐标轴上，每对两个相向放置，在坐标轴直线上，与坐标轴夹角是O。
[0010]本实用新型具有如下有益效果:
[0011]本实用新型设计采用三对超声波传感器分别对三个方向上风速进行测量，随后经过合成得到该时刻的风速风向值。
[0012]由于本实用新型风速的测量与超声波传播的速度没有关系，所以不需要温度补偿，简化了结构的同时提高了测量的准确度。设计主芯片采用ALTER公司的CYCL0NE4代FPGA，它具有高的时钟频率和扫描频率，因此可得到更高精度的风速风向测量。
【专利附图】
【附图说明】:
[0013]图1是直角坐标系下的风矢量图。
[0014]图2是整体框架图。
[0015]图3是双极性电压驱动电路框架图。
[0016]图4是超声波发射电路。
[0017]图5是信号检测电路。
【具体实施方式】:
[0018]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
[0019]整个系统由三对沿空间直角坐标系的三个坐标轴放置的超声波传感器、FPGA主芯片、发射驱动电路、液晶显示、信号检测电路、通道控制电路和电源模块组成，每对传感器测得该方向上的风速值，由FPGA产生标准200khz的方波信号，同时开始-计时，经过发射驱动电路，输出符合超声波传感器驱动的信号，然后经过发射通道控制电路选择，驱动相应的超声波传感器，由超声波传感器发出超生波信号，同时经由接收通道控制电路使之处于接收状态，信号检测电路接收到信号后，将信号放大、滤波、整流，得到包络信号，该包络信号再经过阈值比较，最后将该信号输入FPGA端口 ；由主芯片对该端口进行高速扫描，当检测到该端口出现高电平时，停止计时，取出该时间并且存储，即为超声波从一端传送到对应另一端所用的时间；延迟10s，通过通道控制电路选择控制，测出相反方向的时间，即可算出该方向的风速分量。依次可分别测出其他两个方向的风速分量。最后，通过芯片对收集到的数据进行处理，即可得到风速风向值。每过5分钟刷新一次风速风向值，并且在液晶显示上显示，同时通过RS232串口传到上位机。
[0020]在图1中可以看出，三对超声波传感器沿空间直角坐标系的三个坐标轴放置，从三维的情况来考虑:设风速度V在直角坐标系的3个坐标轴方向的分量为vx，vy, vz。
[0021]先求沿X方向的风速。设I为两个超声波传感器之间的距离，c为超声波的声速， t2分别为正向和方向测量得到的时间，则
【权利要求】
1.一种超声波风速风向仪,包括超声波传感器、发射驱动电路、液晶显不、信号检测电路、通道控制电路和电源模块，其特征是:还包括FPGA主芯片，所述通道控制电路包括发射通道控制电路和接收通道控制电路，所述超声波传感器包括三对六个，各超声波传感器的控制端经发射通道控制电路、发射驱动电路连接FPGA主芯片的控制端，各超声波传感器的信号输出端经接收通道控制电路、信号检测电路连接FPGA主芯片的信号采集端；电源模块为FPGA主芯片供电，发射驱动电路、信号检测电路、液晶显示与FPGA主芯片连接。
2.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征是:FPGA主芯片采用EP4CE15F17C8N芯片；所述发射驱动电路采用双极性电压驱动；所述信号检测电路由0P37构成的两级运放电路、TL082构成的二阶带通滤波电路以及LM393构成的比较电路三部分组成。
3.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征是=FPGA主芯片还经标准RS232串口与上位机通信连接。
4.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征是:液晶显示采用12864液晶显示器。
5.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，超声波传感器型号是FUS200A。
6.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征是:三对超声波传感器分别沿空间直角坐标系的三个坐标轴放置，沿同一坐标轴相向放置的两个超声波传感器为一对。
【文档编号】G01P5/24GK203385750SQ201320480185
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】陈晓, 曲振林 申请人:南京信息工程大学