一种多功能超声波风速仪的制作方法

本发明属于超声波风速仪领域，涉及一种多功能超声波风速仪。
背景技术：
：风速仪，是测量空气流速的仪器，它的种类较多，常用的风速仪有：杯式风速仪、热敏风速仪、叶轮风速仪和超声波风速仪。杯式风速仪，感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成，空杯固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上，当风吹来时，风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。随着风压和风压差的不断变化，经过一段时间后，风速不变时，作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动，这样根据风杯的转速(即每秒钟转的圈数)就可以确定风速的大小。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。目前的杯式风速仪大多都是采用三杯的，当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度，但当风速减小时，由于惯性影响，转速却不能立即下降，导致杯式风速仪在阵性风里指示的风速一般是偏高的，产生的平均误差约为10％。因此，杯式风速仪存在由于转动需要一定的机械摩擦，无风或风速较小时，空杯转动不起来，以及空杯体积较大、惯性也大，高风速的时候测量结果会偏大的问题。热敏风速仪的风速探头为敏感部件，当恒定电流流过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表指针也指于零点。若风速探头端部的热敏感部件暴露于空气流中时，由于进行热交换，将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量指示仪表系统放大并推动电表，由指针示值即可读出被测风速大小。热敏风速仪主要是利用流动的空气对加热的金属丝进行散热来实现对风速的测量。先用电流对金属丝进行加热，风速的平方与散热速率成正比，因此根据热敏电阻转换成温度值进而转换成风速值。但是，热敏风速仪的探头中连接热敏的铂丝比较脆弱，在使用中若不小心容易造成探头损坏，无法修复。因此，热敏风速仪存在工作效率慢，误差大，使用过程中需要人员参与，不易实现工业智能化、全自动化的问题。叶轮风速仪是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝，称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量与流体的速度之间存在关系式。但是叶轮风速仪存在由于摩擦损耗导致其寿命短和很难维护，抗干扰能力较差的问题。超声波风速仪是利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向的测量仪器。超声波风速仪是超声波检测技术在气体介质中的一种应用，它利用超声波在空气中传播速度受空气流动(风)的影响来测量风速，主要是利用超声波时差法来实现风速的测量，声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。与常规的风杯或旋翼式风速仪相比这种测量方法的最大特点在于整个测风系统没有任何机械转动部件，属于无惯性测量，故能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分，结合现代计算机技术，可在更高层次上揭示自然风的特性对于提高抗风减灾能力和风资源的合理利用有重大意义。目前，市面上也出现了一些超声波风速仪，但电路部分还存在一些问题：信号经过峰值检测模块得到检波信号后再返回处理器进行ad采样处理得到声波的渡越时间，这样即因为峰值检测电路的存在，增加了整体电路的复杂性，还增加了设计成本，又会因为信号在峰值检测模块会产生时间误差，导致最后测出的风速风向准确性不高。因此，针对上述问题，本发明提出了一种多功能超声波风速仪。技术实现要素：本发明的目的在于：提供了一种多功能超声波风速仪，解决了现有超声波风速仪的电路存在电路复杂、成本较高，测量精度和工作效率较低的问题。本发明采用的技术方案如下：一种多功能超声波风速仪，包括四个超声波探头、与四个超声波探头连接的支撑板、与支撑板连接的上位机，其特征在于：所述支撑板内设置有信号发射电路、信号采集电路、控制电路和串口通信电路，所述信号发射电路、信号采集电路和串口通信电路均与控制电路连接，所述信号发射电路与超声波探头连接，驱动超声波探头发射超声波信号；所述信号采集电路与所述信号发射电路连接，驱动超声波探头接收超声波信号并对接收到的信号进行放大；所述串口通信电路与上位机连接，控制上位机显示当前的风速、风向信息；所述控制电路通过信号发射电路和信号采集电路控制超声波探头发射和接收超声波信号，利用控制电路中微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息，并根据串口通信电路实现与上位机的通信。进一步地，所述超声波探头采用200khz的收发一体超声波探头。进一步地，所述控制电路包括微控制器ud0及其外围电路，所述微控制器ud0采用stm32f103c8t6的arm单片机芯片。进一步地，所述信号发射电路分为四路，每一路独立连接一个超声波探头，所述控制电路的微控制器ud0发射200khzpwm脉冲信号给信号发射电路，驱动超声波探头发出超声波信号，所述信号发射电路的一路包括：与控制电路的微控制器ud0的输出端square1连接的电阻rt1，所述电阻rt1连接三极管qt1，所述三极管qt1的基极和发射极之间并联一个电阻rt2，集电极连接并联的电阻rt3和rt4，所述电阻rt4的另一端连接并联的三极管qt2和qt3，所述三极管qt2的发射极与qt3的发射极之间串联一个电阻rt5，所述三极管qt2的集电极连接电阻rt3，所述三极管qt3的发射极和电阻rt5之间连接一个电阻rt6，所述电阻rt6上并联一个二极管dt2，所述电阻rt6的另一端连接场效应晶体管qt4的栅极，所述场效应晶体管qt4的漏极连接电阻rt7和电容ct2，所述电阻rt7的另一端连接二极管dt1后与并联的电容cx1和ct1连接，所述场效应晶体管qt4的漏极与电容ct2之间连接超声波探头s1，所述电容ct2的另一端依次连接电阻rt8、并联的二极管dt3和dt13、电容ct3和电阻rt9，最后接入信号采集电路。进一步地，所述信号采集电路分为四路，对应连接四路信号发射电路，接收信号发射电路发来的信号，再经过两级串联的运算放大器进行放大，所述信号采集电路的一路包括：与信号发射电路的输出端rec1连接的电阻ra1、ra2和ra3，所述电阻ra1和ra2之间连接电容ca1，电阻ra2和ra3之间连接电容ca3，所述电阻ra3的另一端连接电容ca2和运算放大器ua1的引脚3，所述运算放大器ua1的引脚4连接电阻ra4和ra5，所述电阻ra4连接并联的电阻r1和r2，所述电阻r2上并联一个电容c1，所述电阻ra5的另一端连接运算放大器ua1的引脚1，所述运算放大器ua1的引脚1还连接电阻ra6，所述电阻ra6连接并联的电阻ra7和电容ca5，所述电阻ra7的另一端连接电容ca4和运算放大器ua2的引脚3，所述运算放大器ua2的引脚4连接所述电容ca5的另一端，所述运算放大器ua2的输出端引脚1连接控制电路的微控制器ud0的输入端adc1。进一步地，所述串口通信电路包括rs485和/或rs232串口通信协议，将单片机芯片处理好的数据发送给上位机，所述rs485串口ud1采用max485芯片，所述rs232串口ud2采用st3232btr芯片，所述ud1的引脚1至4分别与控制电路的微控制器ud0的pb11、pb1、pb0、pb10连接，引脚6和7并联电阻rp7后与上位机pc的引脚485-a和485-b连接，所述ud2的引脚11和12分别与控制电路的微控制器ud0的pa10和pa9连接，引脚13和14与上位机pc的引脚pc-rx和pc-tx连接。进一步地，还包括电源模块，所述支撑板内还设置有电源电路，所述电源模块与电源电路连接。更进一步地，所述电源模块包括数字电源模块和模拟电源模块，所述数字电源模块给支撑板内的电路和超声波探头接收超声波信号时供电，所述模拟电源模块给超声波探头发射超声波信号时提供直流偏置电压。更进一步地，所述电源电路包括两个降压电路和一个升压电路，所述降压电路与数字电源模块连接，将12v电压分别转换成3.3v和5v电压，所述升压电路与模拟电源模块连接，将12v电压转换成40v电压，给超声波探头发射超声波信号时提供驱动电压。进一步地，所述支撑板内还设置有传感器电路，所述传感器电路是独立的外接电路，与控制电路的微控制器ud0的引脚pb12至pb15连接，ud0便可采集传感器sp1的参数。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1.一种多功能超声波风速仪，将电路设置在支撑板上，再连接超声波探头和上位机，结构简单、安装方便；控制电路选择四路信号发射电路中的一路，控制对应的信号发射电路驱动超声波探头发出超声波信号，再控制对立面的信号采集电路驱动超声波探头接收超声波信号，接收到的信号经过信号采集电路放大处理后传送给控制电路，控制电路中微控制器的adc模块模拟看门狗中断来检测接收信号，大大降低了整体电路的复杂性和成本，提高了测量的精准度；并利用微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息，发送给上位机进行显示；本发明对支撑板内的电路进行了改进，支撑板内不需要增设额外的峰值检测电路，去掉电路中冗余部分，减少了电路的复杂性，使超声波风速仪的支撑板内电路更简洁，工作效率更高，测量精确度更高。2.本发明所述超声波探头采用200khz的收发一体超声波探头，解决了频率过低或过高时，由于衰减等因素导致测量精度和分辨率低的问题，同时电路实现比较容易；收发一体超声波探头使信号发射和接收在相对直线的方向上，大大减少了误差。3.本发明中所述串口通信电路包括rs485和/或rs232串口通信协议，提供了两种通信协议将超声波风速仪和上位机连接在一起，用户可根据具体上位机的接口情况，结合自己的需求选择使用rs232接口或者rs485接口，将控制电路中单片机芯片处理好的数据信息发送给上位机进行显示，可满足不同上位机的接口需求。4.本发明所述支撑板内还设置有传感器电路，所述传感器电路是独立的外接电路，将系统总电路与传感器电路独立开来，可根据实际情况增设其他传感器，比如，光照传感器、pm2.5传感器等，为风速仪增加其他检测功能，增强了电路的灵活性，使风速仪的功能更加丰富，检测信息更全面，适用范围更广。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：图1是一种多功能超声波风速仪的连接框图；图2是本发明的控制电路图；图3是本发明的四路信号发射电路图；图4是本发明的一路信号发射电路图；图5是本发明的四路信号采集电路图；图6是本发明的一路信号采集电路图；图7是本发明的串口通信电路图；图8是本发明的电源电路图；图9是本发明的传感器电路图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和附图中示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。一种多功能超声波风速仪，解决了现有超声波风速仪的电路存在电路复杂、成本较高，测量精度和工作效率较低的问题。一种多功能超声波风速仪，包括四个超声波探头、与四个超声波探头连接的支撑板、与支撑板连接的上位机，其特征在于：所述支撑板内设置有信号发射电路、信号采集电路、控制电路和串口通信电路，所述信号发射电路、信号采集电路和串口通信电路均与控制电路连接，所述信号发射电路与超声波探头连接，驱动超声波探头发射超声波信号；所述信号采集电路与所述信号发射电路连接，驱动超声波探头接收超声波信号并对接收到的信号进行放大；所述串口通信电路与上位机连接，控制上位机显示当前的风速、风向信息；所述控制电路通过信号发射电路和信号采集电路控制超声波探头发射和接收超声波信号，利用控制电路中微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息，并根据串口通信电路实现与上位机的通信。本发明将电路设置在支撑板上，再连接超声波探头和上位机，结构简单、安装方便；控制电路选择四路信号发射电路中的一路，控制对应的信号发射电路驱动超声波探头发出超声波信号，再控制对立面的信号采集电路驱动超声波探头接收超声波信号，接收到的信号经过信号采集电路放大处理后传送给控制电路，控制电路中微控制器的adc模块模拟看门狗中断来检测接收信号，大大降低了整体电路的复杂性和成本，提高了测量的精准度；并利用微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息，发送给上位机进行显示；本发明对支撑板内的电路进行了改进，支撑板内不需要增设额外的峰值检测电路，去掉电路中冗余部分，减少了电路的复杂性，使超声波风速仪的支撑板内电路更简洁，工作效率更高，测量精确度更高。下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。实施例一本发明的较佳实施例，提供了一种多功能超声波风速仪，如图1所示为风速仪的连接框图，包括四个超声波探头、与四个超声波探头连接的支撑板、与支撑板连接的上位机，其特征在于：所述支撑板内设置有信号发射电路、信号采集电路、控制电路和串口通信电路，所述信号发射电路、信号采集电路和串口通信电路均与控制电路连接；所述信号发射电路与超声波探头连接，驱动超声波探头发射超声波信号；所述信号采集电路与所述信号发射电路连接，驱动超声波探头接收超声波信号并对接收到的信号进行放大；所述串口通信电路与上位机连接，控制上位机显示当前的风速、风向信息；所述控制电路通过信号发射电路和信号采集电路控制超声波探头发射和接收超声波信号，利用控制电路中微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息，并根据串口通信电路实现与上位机的通信。进一步地，所述超声波探头采用200khz的收发一体超声波探头，具体采用的型号为eu10pif200h07t/r，解决了频率过低或过高时，由于衰减等因素导致测量精度和分辨率低的问题，同时电路实现比较容易；收发一体超声波探头使信号发射和接收在相对直线的方向上，大大减少了误差。进一步地，所述控制电路的电路图如图2所示，包括微控制器ud0及其外围电路，所述微控制器ud0采用stm32f103c8t6的arm单片机芯片，其内核是cortex-m3，最高工作效率72mhz，在存储器的0等待周期访问时可达1.25dmips/mhz，且芯片基于c语言，方便后期程序改进和维护，支持can、adc、spi、i2c、usb、uart等多种功能，风速仪可将其完美应用。更进一步地，所述信号发射电路的电路图如图3所示，分为四路，每一路独立连接一个超声波探头，所述控制电路的微控制器ud0发射200khzpwm脉冲信号给信号发射电路，驱动超声波探头发出超声波信号，超声波探头s1、s2、s3和s4两两相对，且连线成90度夹角，s1与s3对立，s2和s4对立，所述信号发射电路的连接方式一致，其中的一路如图4所示，包括：与控制电路的微控制器ud0的输出端square1连接的电阻rt1，所述电阻rt1连接三极管qt1，所述三极管qt1的基极和发射极之间并联一个电阻rt2，集电极连接并联的电阻rt3和rt4，所述电阻rt4的另一端连接并联的三极管qt2和qt3，所述三极管qt2的发射极与qt3的发射极之间串联一个电阻rt5，所述三极管qt2的集电极连接电阻rt3，所述三极管qt3的发射极和电阻rt5之间连接一个电阻rt6，所述电阻rt6上并联一个二极管dt2，所述电阻rt6的另一端连接场效应晶体管qt4的栅极，所述场效应晶体管qt4的漏极连接电阻rt7和电容ct2，所述电阻rt7的另一端连接二极管dt1后与并联的电容cx1和ct1连接，所述场效应晶体管qt4的漏极与电容ct2之间连接超声波探头s1，当超声波探头s1作为发射超声波信号作用时，发射给对立面的超声波探头s3，电流驱动超声波探头s1发射200khz超声波信号，同时，单片机芯片stm32f103c8t6程序中的定时器开始计时；当超声波探头s1作为接收超声波信号作用时，接收来自对立面超声波探头s3发射的超声波信号，所述电容ct2的另一端依次连接电阻rt8、并联的二极管dt3和dt13、电容ct3和电阻rt9，最后接入信号采集电路，当超声波探头s1作为接收超声波信号作用时，接收到的信号会从此处传送给信号采集电路进行采集与处理，其他三路信号发射电路与此路连接方式一致，此处不再赘述。更进一步地，所述信号采集电路的电路图如图5所示，分为四路，对应连接四路信号发射电路，接收信号发射电路发来的信号，再经过两级串联的运算放大器进行放大，所述信号采集电路的连接方式一致，其中的一路如图6所示，包括：与信号发射电路的输出端rec1连接的电阻ra1、ra2和ra3，所述电阻ra1和ra2之间连接电容ca1，电阻ra2和ra3之间连接电容ca3，所述电阻ra3的另一端连接电容ca2和运算放大器ua1的引脚3，所述运算放大器ua1的引脚4连接电阻ra4和ra5，所述电阻ra4连接并联的电阻r1和r2，所述电阻r2上并联一个电容c1，所述电阻ra5的另一端连接运算放大器ua1的引脚1，所述运算放大器ua1的引脚1还连接电阻ra6，所述电阻ra6连接并联的电阻ra7和电容ca5，所述电阻ra7的另一端连接电容ca4和运算放大器ua2的引脚3，所述运算放大器ua2的引脚4连接所述电容ca5的另一端，所述运算放大器ua2的输出端引脚1连接控制电路的微控制器ud0的输入端adc1，利用单片机芯片stm32f103c8t6的adc模块模拟看门狗中断来检测接收信号，通过程序将看门狗门限最低值设为0，最高值设为40v，当检测到一段40v的脉冲信号时，说明探头接收到传来的超声波信号，经仿真验证得，所述信号采集电路将3.3v的脉冲信号放大到40v，说明两级串联的运算放大器放大信号的效果最好，增益可达10db。更进一步地，所述串口通信电路的电路图如图7所示，包括rs485和/或rs232串口通信协议，将单片机芯片处理好的数据发送给上位机，具体采用哪种串口可根据用户的具体上位机的接口情况来选择，结合自己的需求选择使用rs232接口或者rs485接口，将控制电路中单片机芯片处理好的数据信息发送给上位机进行显示，可满足不同上位机的接口需求，所述rs485串口ud1采用max485芯片，所述rs232串口ud2采用st3232btr芯片，所述ud1的引脚1至4分别与控制电路的微控制器ud0的pb11、pb1、pb0、pb10连接，引脚6和7并联电阻rp7后与上位机pc的引脚485-a和485-b连接，所述ud2的引脚1通过电容cp7与引脚3连接，引脚4通过电容cp8与引脚5连接，引脚2通过电容cp9和cp11与引脚16连接，引脚6通过电容cp10与引脚8和10连接，引脚11和12分别与控制电路的微控制器ud0的pa10和pa9连接，引脚13和14与上位机pc的引脚pc-rx和pc-tx连接。所述上位机pc具备独立的显示屏，对风速风向信息的实时数据进行显示，上位机pc还可以是手机app，将检测的实时数据发送到手机app里，方便人们实时检测和远程监测。进一步地，还包括电源模块，所述支撑板内还设置有电源电路，所述电源模块与电源电路连接。更进一步地，所述电源模块包括数字电源模块和模拟电源模块，所述数字电源模块给支撑板内的电路和超声波探头接收超声波信号时供电，所述模拟电源模块给超声波探头发射超声波信号时提供直流偏置电压。更进一步地，所述电源电路的电路图如图8所示，包括两个降压电路和一个升压电路，所述降压电路与数字电源模块连接，将12v电压分别转换成3.3v和5v电压，在信号发射电路中，驱动超声波探头发射超声波信号需要40v的驱动电压，因此所述升压电路与模拟电源模块连接，将12v电压转换成40v，给超声波探头发射超声波信号时提供驱动电压。工作流程：控制电路中单片机芯片stm32f103c8t6的定时器1控制发出200khzpwm脉冲信号给信号发射电路，电流驱动超声波探头s1发射超声波信号，同时，单片机芯片的定时器2开始计时，对立面的超声波探头s3接收到超声波探头s1发射的超声波信号后传送给信号采集电路；信号采集电路接收超声波探头s3探测到的信号，再经过两级串联的运算放大器进行放大后传送给控制电路，控制电路中单片机芯片stm32f103c8t6的adc模块模拟看门狗中断来检测接收信号，将看门狗门限最低值设为0，最高值设为40v，当检测到一段40v的脉冲信号时，说明超声波探头s3接收到是超声波探头s1传来的超声波信号，定时器2关闭并记录下从发射到接收整个过程的时间。通过改变flag的值改变发射和接收信号的探头，重复上述操作，直到四路超声波探头分别作发射和接收功能使用一次，记录对应时间，单片机芯片stm32f103c8t6通过计算时间差，将时间差计算转换成风速、风向等信息，储存并发送给串口通信电路；串口通信电路通过rs232或rs485接口接收控制电路中单片机芯片处理好的数据信息，再通过rs232或rs485接口与上位机通信，把数据发送给上位机进行显示。工作原理：基于时差法的超声波风速仪主要是测量超声波信号发送到接收的时间。当超声波叠加风速会让接收到的时间发生变化，从而计算转换成风速。利用x轴和y轴对风速在平面上的二维分解，可以得到两个方向的分速度，最后合成总的速度，并计算出整个风向。整个控制程序需要控制对应超声波探头发射或接收作用，需要产生一个200khzpwm脉冲信号，同时需要记录超声波从发射到接收到的总体时间。此部分包括三个子程序，分别是控制子程序、校准与补偿子程序、解算子程序；控制子程序主要是控制不同的超声波探头发射超声波信号，flag变量控制某一对探头的收发，单片机芯片的定时器1产生一段200khz的pwm脉冲信号，触发x轴线上一对超声波探头中的一个探头s1(如顺风方向)，定时器2记录超声波从发射到接收的时间。flag＝1时表示探头s1发射超声波，探头s3接收超声波，控制电路中芯片通过定时器1控制发送200khzpwm脉冲信号给发射电路来驱动探头s1发射200khz超声波，发送的同时打开定时器2，开始记录时间，使其发射频率为f的超声波信号，该信号经顶部反射面反射后，当s3接收到信号时，定时器2关闭，并计算出超声波传输时间t13(s1发射到s3接收的时间)，此时间为二维风速在一个方向上的分量，时间t13测量结束后，flag＝2；然后，单片机芯片的定时器1再发出一次pwm脉冲信号，触发x轴线上一对超声波探头中的另一个探头s3(逆风方向)发射超声波，探头s1接收超声波，重复上述步骤，得到超声波传输时间t31(s3发射到s1接收的时间)，以此类推，分别测出t13、t31、t24、t42这四个值，将这四个值传递给解算子程序可计算出对应时刻的风速风向；超声波在传递的过程当中，不同的风速叠加在超声波当中，因为存在一个40°的偏向脚，使得在顺风的情况下，风速越大，其超声波的波束只有边缘的能量传递到接收的超声波探头当中，且每个超声波探头在安装的时候会存在误差，同时每组探头在出厂的时候其波束图本身存在差异，整个设备安装完毕后，在无风的情形下，各个设备读取可能会有一定差异，因此，需要进行校零时间，会在每次出厂之前进行一次校准，整个校准的过程是在无风的情形下测得时间t1、t2、t3、t4。然后对这4个时间进行判断是否相等，如果不相等，则对这个时间进行求平均，分别将这个4个时间减去平均时间，求得四个校零时间jtz1、jtz2、jtz3、jtz4。这4个校零时间会在计算分数的时候进行补偿；根据时差法测量风速风向的原理，对于已经测量到x轴顺风(假设x轴顺风)时候的超声波传输时间t13，x轴逆风时候的超声波传输时间t31，以及y轴顺风时候的超声波传输时间t24，y轴逆风时候的超声波传输时间t42，带入速率公式：其中，d是距离，可计算出x轴分量的风速vx和y轴分量的风速vy，再根据矢量合成法则，带入风速公式：计算出总的风速vt，并根据风向公式：其中，θ为与x轴正向的夹角，从而得到风向。对本实施例提供的超声波风速仪分别进行风速和风向测试的实验：风速实验：利用风扇模拟自然风0～25m/s，在密闭空间内分别将超声波风速仪和omega风速仪(用于对比)放置在同一水平线内相互靠近的位置，再将风扇放置在正对风速仪水平线1m的位置，同时保持两个风速仪、风扇的高度一致。打开风扇，从0开始，每隔5分钟增加一个风扇的档位，每次等风速稳定后，打开风速仪，读取相应的风速并记录，同时记录在实际风速发生变化时，超声波风速仪检测风速变化的时间，如表1所示：表1风扇档omega风速仪超声波风速仪误差反应时间0000<2s15.45.360.741％<1s210.410.310.865％<3s314.915.020.805％<1s420.320.150.738％<2s525.425.330.276％<2s由上表可知，用风扇模拟自然风，且与omega风速仪对比可知，两者误差差距较小，总体误差小于1％，超声波风速仪的反应时间较快，不超过3s；风向实验：在密闭空间中，在地面上画一个半径为1m的圆，且以每30°为一个单位将圆划分为12份。将超声波风速仪放置在圆心处，风扇放在圆周上，并且调制为3档。每隔5分钟顺时针改变风扇的位置一个单位(30°)，保持风扇正对超声波风速仪，每次等风速稳定后，打开风速仪，读取相应的风速并记录，同时记录在实际风向发生变化时，超声波风速仪检测的风向变化的时间，如表2所示：表2由上表可知，本实施例的超声波风速仪测量风向整体较为准确，误差不超过3°。反应时间不超过2s，足以证明本发明的测量精确度较高，误差较小。本实施例将电路设置在支撑板上，再连接超声波探头和上位机，结构简单、安装方便；控制电路选择四路信号发射电路中的一路，控制对应的信号发射电路驱动超声波探头发出超声波信号，再控制对立面的信号采集电路驱动超声波探头接收超声波信号，接收到的信号经过信号采集电路放大处理后传送给控制电路，控制电路中微控制器的adc模块模拟看门狗中断来检测接收信号，大大降低了整体电路的复杂性和成本，提高了测量的精准度；并利用微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息，发送给上位机进行显示；本发明对支撑板内的电路进行了改进，支撑板内不需要增设额外的峰值检测电路，去掉电路中冗余部分，减少了电路的复杂性，使超声波风速仪的支撑板内电路更简洁，工作效率更高，测量精确度更高；本发明的风速仪利用超声波的特点进行风速风向测量，不存在市面上其他风速仪的精确度不高、寿命短、误差大、抗干扰能力差、需要人工参与等问题，适合推广使用。实施例二本实施例在实施例一的基础上，进一步地，所述支撑板内还设置有传感器电路，所述传感器电路是独立的外接电路，通过杜邦线与控制电路的微控制器ud0的引脚pb12至pb15连接，通过spi协议传输数据，微控制器ud0便可采集传感器sp1的参数并储存。具体地，本实施例中传感器sp1采用温湿度大气压传感器bme280，bme280是一款集成温度、湿度、气压，三位一体的环境传感器，其温度检测范围为-40℃～85℃，对环境的适应性好，误差±0.5℃，其湿度检测范围为0～100％rh，误差±2％rh，其大气压检测范围为300～1100hpa，测试响应时间为1s，具有精度高、反应灵敏、体积小的特点。所述温湿度大气压传感器的电路图如图9所示，图中p2还可设置其他传感器，比如，光照传感器、pm2.5传感器等，且传感器数量可增加，本实施例将风速仪的总电路与传感器电路独立开来，可根据实际情况增设其他传感器，为风速仪增加其他检测功能，增强了电路的灵活性，使风速仪的功能更加丰富，检测信息更全面，适用范围更广。工作流程：本实施例的风速仪启动后，先检测风速风向信息，检测原理与上述实施例一一致，此处不再赘述；然后，控制电路再控制温湿度大气压传感器检测温湿度和大气压信息，或其他传感器检测对应的信息，最后再传送给上位机，统一进行显示。对本实施例提供的超声波风速仪进行测试实验，将本实施例的风速仪放入祯翔公司的-100～2000d的恒温恒湿测试箱(温度范围－40°～100°)中，进行如下两次实验：实验一：设置恒温箱温度变化从-20°～70°，每隔10分钟上升10°，得到如表3的实验结果：表3温度(℃)风速仪测量温度(℃)误差-20-20.07-0.07-10-10.25-0.250-0.19-0.19109.85-0.152019.9-0.13030.160.164040.02-0.025050.020.026060.020.027070.210.21由上表可知，测试结果与实际值之间误差较小，绝对误差不超过0.3，整体测试结果比较准确；实验二：设置恒温箱温度变化从20°～30°，每隔0.5分钟上升1°，观察传感器变化速度，得到如表4的实验结果：表4由上表可知，本实施例的超声波风速仪对温度变化比较敏感，当外界温度发生变化时，能控制在2s之内感应到温度的变化，证明了本实施例的超声波风速仪对环境的适应性好，测量准确度较高，增加了温湿度检测的灵敏度，提高了反应速度。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3