一种高精度三维测风系统的制作方法

本发明属于风能技术领域，具体地涉及一种高精度三维测风系统。

背景技术：

风能就是空气流动所产生的动能 ，风场风资源的品质时刻影响着风力机的运行，风速和风向是风场的重要因素，测量的准确与否直接影响到对风场特性的研究。

目前，国内外对风速风向的测量方法主要以超声波测量法为主；一种介绍了运用超声波传感器，以反射法测量液体深度；另一种介绍了基于TDC-GP21芯片的超声波测量液体流量和测距的方法，并且TDC-GP21芯片主要应用在测量液体流量等方面；又一种提出了一种基于80C51单片机控制系统的二维超声波阵列测风系统；最后介绍了三维超声波阵列的测风原理及其应用领域。

技术实现要素：

本发明就是针对快速准确测量风速和风向的问题，弥补现有风速风向测量装置的不足，提供一种高精度三维测风系统；本发明能够快速准确地测量风速和风向，且系统工作时保持着较低的功耗。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明一种高精度三维测风系统，包括高精度时间测量芯片、单片机、超声波换能器、多路选择器、带通滤波放大电路、脉冲驱动电路、温度补偿模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、上位机；其结构要点是：所述高精度时间测量芯片与单片机相互连接，电源模块分别与高精度时间测量芯片、单片机连接；所述超声波换能器个数为6个，每个超声波换能器均可以作为超声波发射换能器和超声波接收换能器；所述高精度时间测量芯片的输出端连接脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路的输出端连接一个超声波发射换能器，一个超声波接收换能器连接带通滤波放大电路，所述带通滤波放大电路的信号输出端连接高精度时间测量芯片的信号输入端；所述单片机还连接有LCD显示器、GPRS通信模块、SD存储卡，所述GPRS通信模块与上位机连接进行通信。

作为本发明的一种优选方案，所述高精度时间测量芯片的信号输入端与温度补偿模块相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述带通滤波放大电路的信号输出端连接高精度时间测量芯片的STOP1或STOP2引脚。

作为本发明的另一种优选方案，所述高精度时间测量芯片采用TDC-GP21测量芯片。

作为本发明的另一种优选方案，所述单片机采用MSP430F413芯片。

作为本发明的另一种优选方案，所述多路选择器采用ADG804四路选择器。

作为本发明的另一种优选方案，所述电源模块采用蓄电池或太阳能电池板。

本发明的有益效果是。

本发明提供一种高精度三维测风系统，针对现有风速风向测量装置在测量精度和反应时间方面的不足，本发明利用对超声波换能器构成三维阵列，采用时差法测量风速和风向；设计了三维超声波测风系统的总体结构以及超声波驱动电路和超声波接收电路。本发明采用TDC-GP21高精度时间测量芯片和MSP430F413超低功耗单片机控制芯片，整个系统能够快速准确地测量风速和风向，且系统工作时保持着较低的功耗。

附图说明

图1是本发明一种高精度三维测风系统的整体结构框图。

图2是本发明一种高精度三维测风系统的超声波驱动电路电路连接图。

图3是本发明一种高精度三维测风系统的带通滤波放大电路电路连接图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种高精度三维测风系统的整体结构框图。包括高精度时间测量芯片、单片机、超声波换能器、多路选择器、带通滤波放大电路、脉冲驱动电路、温度补偿模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、上位机；其结构要点是：所述高精度时间测量芯片与单片机相互连接，电源模块分别与高精度时间测量芯片、单片机连接；所述超声波换能器个数为6个，每个超声波换能器均可以作为超声波发射换能器和超声波接收换能器；所述高精度时间测量芯片的输出端连接脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路的输出端连接一个超声波发射换能器，一个超声波接收换能器连接带通滤波放大电路，所述带通滤波放大电路的信号输出端连接高精度时间测量芯片的信号输入端；所述单片机还连接有LCD显示器、GPRS通信模块、SD存储卡，所述GPRS通信模块与上位机连接进行通信。

所述高精度时间测量芯片的信号输入端与温度补偿模块相连。

所述带通滤波放大电路的信号输出端连接高精度时间测量芯片的STOP1或STOP2引脚；所述高精度时间测量芯片采用TDC-GP21测量芯片。

所述单片机采用MSP430F413芯片；所述电源模块采用蓄电池或太阳能电池板。

本发明进行三维风速的测量，所以有3对共6个超声波换能器工作，每个换能器既具有发射功能也具有接收功能，每次只有2个换能器同时工作；因此本发明的多路选择器采用ADG804四路选择器，由所述单片机MSP430F413芯片控制其管脚进行通道选择。

结合附图1和本发明的技术方案阐述工作过程：首先通过TDC-GP21进行温度测量，然后由单片机控制TDC-GP21片内脉冲发生器，在其FIRE＿UP 或FIRE＿DOWN引脚产生频率为200KHz的方波脉冲序列，经驱动电路后，由超声波发射换能器发射超声波。当接收端换能器接收到超声波信号后，先通过带通滤波放大电路处理，处理后的信号触发TDC-GP21的STOP1或STOP2引脚，由TDC-GP21计算超声波传播时间。最后单片机读取传播时间，以时差法计算风速和风向。在数据传输处理上，风速和风向值由单片机通过GPRS通信模块远程传输到上位机。上位机通过LCD显示器显示三维合成后的实际风速以及各坐标轴的风向角θ，风向角θ 分别表示成3个轴各自的夹角。数据也可保存到SD存储卡上。

如图2所示，为本发明一种高精度三维测风系统的超声波驱动电路电路连接图。图中，Q7为IRL3410绝缘栅型MOSFET，在此电路中起到开关的作用，T1为升压变压器，原副边匝数比为1:10，电阻R23和电容C22组成储能电路。TDC-GP21的FIRE＿UP或FIRE＿DOWN端口产生的脉冲序列通过SSP1输入，当输

入为脉冲的高电平时，Q7导通，变压器副边不工作，当输入脉冲为低电平时，Q7不工作，变压器副边导通，原边存储的能量释放到副边。这就实现了原边低幅值的方波脉冲升高到副边高幅值同频率的方波脉冲，副边的输出引脚TRANS1与换能器相连接，实现对超声波换能器的驱动，使换能器发出超声波信号。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。