一种风速测量装置及自行车码表的制作方法

本实用新型涉及运动辅助参数测量方法及器材领域，特别是涉及一种风速测量装置及自行车码表。

背景技术：

自行车骑行运动具有广大的爱好者群体，为使骑行过程更让骑行者舒畅，也为便于统计运动参数，以帮助身体锻炼，通常需要采集多项数据，常见的在骑行过程中采集的数据有速度、海拔、距离和温湿度等，尤其是速度。然而为准确测量骑行者的速度，计算运动量，需要尽量准确地测量环境中的介质所产生的干扰因素，例如骑行过程中必然受到空气阻力影响，更详细而言，每次骑行的风速都是不同的，只有准确获知风速，才可以更有效地指导骑行者合理分配体能及骑行姿势。然而，现有技术中的风速测量方法及设备要么体积过大而不能应用于自行车之上，要么精确度太差以至于指导意义很小。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种风速测量装置及自行车码表。

一种风速测量装置，包括采风模块、信号放大模块、模数转换模块和计算模块；所述采风模块与所述信号放大模块连接，所述信号放大模块与所述模数转换模块连接，所述模数转换模块与所述计算模块连接；

所述采风模块用于接收预定面积的采风器上的风压值，根据风压值获取到风压数据；

所述信号放大模块用于对所述风压数据进行滤波处理，获取到滤波后风压数据；

所述计算模块用于根据所述滤波后风压数据计算得所述风压值对应的风速。

在其中一个实施例中，所述采风模块采用驻极体话筒和/或电容话筒。

进一步的，所述第一采风器采用电容话筒，所述第二采风器采用驻极体话筒；所述计算模块还用于检测到所述风速大于预定风速，启动第二采风器，同时停止获取到所述风速对应的风压值的第一采风器。

在其中一个实施例中，所述信号放大模块包括上拉电阻、滤波电容、反向放大单元和纠正放大单元，所述上拉电阻和所述滤波电容均与所述采风模块连接，所述滤波电容与所述反向放大单元连接，所述反向放大单元的输出端与所述纠正放大单元的负极输入端连接；所述反向放大单元包括第一运算放大器和可变电阻器，所述第一运算放大器的负极输入端与所述第一运算放大器的输出端通过所述可变电阻器连接，所述第一运算放大器的正极输入端与所述滤波电容连接。

在其中一个实施例中，所述采风模块包括极板，所述极板上均匀设有若干贯穿孔。

本实用新型还提供一种自行车码表，包括外壳和如上述的风速测量装置，所述风速测量装置设置在所述外壳的内腔中，所述外壳上设有通孔，所述风速测量装置的采风模块设置在所述通孔内。

本实用新型提供的风速测量装置及自行车码表能够通过对采集到的风压数据进行处理，利用计算机获取到风速数据，该风速测量方法测量精度高，风速测量装置的结构简单，方便安装到自行车上并使用。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中风速测量方法的方法流程图；

图2为本实用新型一实施例中风速测量装置的模块连接示意图；

图3为本实用新型一实施例中信号放大模块的电路结构示意图；

图4为本实用新型一实施例中一采风模块的机械结构示意图；

图5为本实用新型一实施例中自行车码表正面视图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

本实用新型一实施例中提供了一种风速测量方法，适于在计算设备中执行，如图1所示，该方法包括下列步骤：

步骤S100：接收预定面积的采风器上的风压值，根据风压值获取到风压数据。风吹在物体上并被物体阻挡，物体表面会产生压力，风速越大则压力越大，反向推知，物体表面上检测到的压力越大，则风速越大。采风器具有一定的面积，为便于计算，将采风面积设置为特定值，作为已知参量应用到后期计算当中。如图4所示，采风器可采用具有振膜12和极板11的传声器，传声器俗称话筒或麦克风，麦克风不仅能够捕捉到声音，其基本原理是将作用于其上的压力转换为电信号，因此当风作用在预定面积上的采风器上时，就会产生风压，由采风器转化为风压值，并进而将风压值转换为可供计算机系统进一步处理的风压数据。

步骤S200：对风压数据进行滤波处理，获取到滤波后风压数据。将风压数据中特定波段频率滤除，抑制和防止风压数据受到其他环境因素的干扰。

步骤S300：根据滤波后风压数据计算得风压值对应的风速。骑行过程中，采风器感受到风压(风速越大，风压越强)，风压使采风器产生振动，风速越大，振动越剧烈，振幅越大，变换得到的电信号也越大。通过电信号与压力，以及压力与风速之间的关系，可以得到风速与电信号之间的关系，经过计算即可得到风速，具体的，经过放大电路将检测到的电信号放大，并通过ADC采集转化成数字信号，再通过滤波，压力算法、速度算法得到风速。

步骤S100，即“接收预定面积的采风器上的风压值，根据风压值获取到风压数据的步骤”具体包括：

步骤S110：检测到振膜12与极板11的间距变化值。空气流——风吹到采风器上，引起具有弹性的振膜12发生形变，风速越大振膜12形变的幅度越大，而振膜12与极板11之间具有一定的预设间距，风吹到振膜12上之后振膜12 与极板11的间距变小，由此出现间距变化值，该间距变化值(数学上取绝对值) 越大，则表明风速越大。

步骤S120：根据所述间距变化值生成风压值。采风器将间距变化值转化为风压值，通常该风压值为模拟信号数据。

步骤S130：采用模数转换器将风压值转化为风压数据。为便于计算机处理，需要通过模数转换器将作为模拟信号数据的风压值转化为数字信号数据的风压数据。

为便于更精确地测量风速，采风器包括第一采风器和第二采风器，第一采风器和第二采风器采用不同的工作原理，第一采风器适合在低风速下工作，第二采风器适合在高风速时工作，由于自行车往往由低速开始运行，因此风速测量方法中的风压数据优先采用第一采风器获取。优选的，计算得风压值对应的风速的步骤之后还包括步骤：检测到风速大于预定风速，启动第二采风器，同时停止获取到风速对应的风压值的第一采风器。也即，系统能够检测到风速，将风速与设定的风速进行比较，当风速大于预定风速时，启动第二采风器并停止之前已经正在工作的第一采风器，当然，在能量足够的时候，也可不必关闭第一采风器。

本实用新型同时提供一种风速测量装置，如图2所示，用于执行如上述的风速测量方法，包括采风模块10、信号放大模块20、模数转换模块30和计算模块40。采风模块10与信号放大模块20连接，信号放大模块20当中设置有滤波单元，而信号放大模块20与模数转换模块30连接，而模数转换模块30与计算模块40连接。在一中优选方案中，如图4所示，采风模块10包括极板11，并且极板11上均匀设有若干贯穿孔11a，设置贯穿孔11a有利于空气流的进入和疏散，确保采风模块10的长期稳定性。采风模块10中的振膜12由尼龙垫13 和金属环14夹持，尼龙垫13和金属环14设置在振膜12的边沿处，将振膜12 设置在与极板11间隔定间距的位置处。采风模块10采用驻极体话筒和/或电容话筒。驻极体话筒体积小，体面和背电极相对构成的平板电容器电荷量Q不变，风产生压力(与声波振动压力道理一样)会改变两极板11距离，进而影响电压 U的大小，根据电压变化大小与风速对应关系可测得当前风速，驻极体麦克风测量范围较广，但灵敏度不是很高，在风速较小的时候测量准确度不够高。电容话筒的声压传感器是一个由硅振膜和硅背极板构成的微型电容器，能将声压变化转化为电容变化，变换原理大致与驻极体话筒原理相同，电容话筒的优势在于稳定性和抗干扰性都很好，灵敏度也高于驻极体话筒，测风速时，能应用在微风以及轻级风的测量中，不太适用于强劲风环境中，否则数字(显示风速的)跳变会很快。因此第一采风器采用电容话筒，第二采风器采用驻极体话筒，而计算模块40还用于检测到风速大于预定风速，启动第二采风器，同时停止获取到风速对应的风压值的第一采风器，也即系统初始工作阶段风压值的采集由第一采风器完成。计算模块40与采风模块10通过有线连接或者无线连接以实现通信。

具体而言，如图3所示，信号放大模块20包括上拉电阻R6、滤波电容C10、反向放大单元U6A和纠正放大单元U6B，其中上拉电阻R6和滤波电容C10均与采风模块10连接。反向放大单元U6A连接，反向放大单元U6A的输出端与纠正放大单元U6B的负极输入端连接。反向放大单元U6A包括第一运算放大器 LM01和可变电阻器RV1，第一运算放大器LM01的负极输入端与第一运算放大器LM01的输出端通过可变电阻器RV1连接，第一运算放大器LM01的正极输入端与滤波电容C10连接。上拉电阻R6的作用是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用。反向放大单元U6A具有反向放大和闭环增益的特性，纠正放大单元U6B则用于纠正相位，经反向放大单元U6A后电信号的相位颠倒180度，经纠正放大单元U6B相位再次颠倒180度，还原了相位。纠正放大单元U6B中包括第二运算放大器LM02和可变电阻RV2，该第二运算放大器LM02可与第一运算放大器LM01采用相同型号，例如LM358，第一运算放大器LM01的输出端与第二运算放大器LM02的正极输入端连接。具体电路连接关系详见图3。信号放大模块20中的滤波电容采用IIR数字滤波器，通过公式(1)对输入的数字信号进行处理：

y[n]＝b0·x[n]+b1·x[n-1]+b2·x[n-2]-a1·y[n-1]-a2·y[n-2]，公式(1)，

得到处理后的数字信号，也即滤波后风压数据。

采风模块10完成压力计算或风压值计算，而计算模块40完成速度计算，采风模块10和计算模块40具体可采用微处理芯片，例如MCS-51系列单片机， Intel8080单片机等。在计算风产生的压力时，也即计算能够计算风压值，应用公式(2)：

F＝Ax V²+BxV+Cx，公式(2)，其中：F为压力，V为采集的电压信号； Ax、Bx、Cx为已知系数。

而压力与风速的变换关系如下：

P＝ρV²/2，式中P为风压值，单位KPa，ρ为空气密度，取值1.205kg/m^3(20 摄氏度时)，V为风速，单位m/s。

风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风-压关系,风的动压为wp＝0.5·ρ·v²，其中wp为风压，单位KPa，ro为空气密度[kg/m³]，V为风速。

根据物理学的关系，得到wp＝0.5·r·v²/g，式中r为空气重度，此式为标准风压公式。在标准状态下(气压为1013hPa,温度为15℃)，空气重度r＝0.01225 kN/m³，纬度为45°处的重力加速度g＝9.8[m/s²]，于是又可得到：wp＝v²/1600。此式为用风速估计风压的通用公式。应当指出的是，空气重度和重力加速度随纬度和海拔高度而变。一般来说r/g在高原上要比在平原地区小，也就是说同样的风速在相同的温度下，其产生的风压在高原上比在平原地区小，计算时可将这些变化因素考虑到存储于计算模块40或者采风模块10的存储芯片和处理芯片当中。

基于计算机系统的思想，本实用新型同时提供一种风速测量设备，其包括处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为可执行上述的步骤S100～步骤S300。本实用新型提供的风速测量装置或设备结构较为简单，可将该装置放入到自行车的码表上，通过在码表上开设透风孔安装风速测量装置，从而实现在自行车上准确测量骑行时的速度大小。因此本实用新型同时提供一种自行车码表，如图5所示，包括外壳1000和如上述的风速测量装置，该风速测量装置设置在外壳1000的内腔中，并且外壳上设有通孔1100，该风速测量装置的采风模块10设置在通孔1100内。

上述实施例阐明的装置或模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机，计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。

本领域内的技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书一个或多个实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于服务端设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。