摘要 傳統(tǒng)的機械式風速測量儀受到諸多因素的影響和限制，已無法滿足現(xiàn)今測量領域的指標。而使用超聲波作為測量手段可以有效地提高測量精度、減少測量誤差、降低功耗。系統(tǒng)采用MSP430作為處理核心，利用超聲波的特性，使用超聲波傳感器，實現(xiàn)對空氣中風速的測量，并利用無線通信ZigBee技術實現(xiàn)通信交互。通過分析得出文中裝置測量精準、出風速度越大，測量越準確。
關鍵詞 風速測量；MSP430；超聲波傳感器；ZigBee
風速是重要的環(huán)境因素，對風速的測量意義重大。風速的測量，傳統(tǒng)方法是機械扇葉式的換能測量，這種方法因為受到機械摩擦和由于摩擦造成的溫度零飄等因素的影響，測量精度不能滿足現(xiàn)在測量系統(tǒng)的要求。
超聲波是一種可在多種介質中穩(wěn)定傳播的機械波，頻率在10 kHz～1 MHz之間，由于是機械波，故波速取決于傳播介質，可以在同一種介質中視為勻速傳播。如今對于超聲波的利用已經(jīng)成熟，特別是超聲測距的技術，如潛艇聲納系統(tǒng)、醫(yī)用B超、工業(yè)超聲測厚等。針對這項技術，稍加改進便可以用于測量空氣中風速，甚至密度均勻的流體速度。并且擁有反應速度快、測量精度高、分辨率高等特點。超聲波測量風速將成為今后的主流。
1 MSP430數(shù)字大氣環(huán)境因素測量儀
風速測量原理：
(1)時差法測量風速。
超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播存在速度差，當傳播固定的距離時，利用時間差就可以得到速度差。
使用一組發(fā)射和接收在一起的超聲模塊放置在一端，另一端使用同樣的模塊探頭相反放置，形成發(fā)射對接收的格局，如圖1所示。
超聲探頭接收到的信號處理后得到一個時間值，在距離為d時探頭1和探頭2分別得到超聲波在空氣中順風傳遞時間t12和逆風傳遞時間t21；待測風速為VW，超聲波在空氣中的速度為Vs。于是得
由此可得到一個方向上的風速值，所得風速與超聲波沒有直接關系，所以受到超聲波衰減的影響較小。
(2)二維風速測量。
實際中需要測量的風速是一個矢量值，具有大小和方向信息，若只使用一組相對模塊，則無法滿足要求，于是在兩個垂直方向上各放置一組模塊，如圖2所示。
這樣就可以得到兩組時間數(shù)據(jù)，t12，t21和t34，t43。設t12和t21為東西方向傳播時間，t34和t43為南北方向傳播時間；VWX為風速的東西方向分量，VWY為風速的南北方向分量，超聲波的速度為Vs。則可以利用獲得的時間量準確地求出風速的大小和方向，具體計算過程如下
VW和cosθ即為所求量。
(3)二維風速測量方案改進。
由于使用的超聲波傳感器探頭中心頻率為40～50 kHz，超聲波的頻率較低導致其波長約為0．5～1 cm，系統(tǒng)單次發(fā)射的超聲波約為10～20個周期的脈沖，為防止兩次發(fā)射和接收之間出現(xiàn)超聲波疊加，所以相對探頭之間的距離較大，增加了測速的環(huán)境誤差，也影響美觀。這里為改善這些問題，使用一個反射系數(shù)大的反射板放置于超聲探頭頂端，使發(fā)射的超聲波經(jīng)過反射傳播給接收探頭，減少水平距離。具體方案如圖4所示。
在計算時加入發(fā)射偏角即可，不會增加運算難度。
(4)測速誤差分析。
發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt／2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v受溫度影響較大，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>
2 系統(tǒng)總體設計方案
系統(tǒng)整體分為：超聲波發(fā)射接收模塊、含有MSP430單片機的中央處理模塊、實時顯示模塊、無線發(fā)射等模塊。
3 系統(tǒng)硬件設計
3．1 MSP430的特點及所利用的功能
設計選用MSP430F169這款超低功耗單片機，并且選擇外部8 MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘和定時器時鐘，精度可達0．125μs。所以時間測量精度高。MSP430F169的芯片引腳如圖6所示。
3．2 超聲波發(fā)射與接收模塊的硬件設計
3．2．1 超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，發(fā)射控制端口輸出的40 kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力；另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。超聲波發(fā)射電路原理如圖7所示。
壓電式超聲波換能器利用壓電晶體的諧振工作。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號。
3．2．2 超聲波接收模塊
CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖8所示。實驗證明用CX20106A接收超聲波，具有良好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當改變電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
3．3 ZigBee無線傳輸模塊
無線發(fā)射模塊選用TI公司CC2430芯片，為核心的構建了一個無線智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)由協(xié)調器與眾多終端節(jié)點組成，系統(tǒng)可對各監(jiān)測點的風速和風向進行自動檢測，同時將測量結果實時傳輸給協(xié)調器，協(xié)調器可根據(jù)設定的參量來控制終端節(jié)點和執(zhí)行相應的操作。該發(fā)射系統(tǒng)具有低功耗、低成本、易于組網(wǎng)和維護等特點，這對測量山區(qū)、海洋、密林等地的風速尤為便利。
4 系統(tǒng)軟件設計
4．1 超聲波收發(fā)模塊
超聲傳感器模塊主要完成信號的轉換，發(fā)送與接收超聲波信號，便于MSP430處理系統(tǒng)能夠收集到更準確信息。超聲波發(fā)送脈沖信號由MSP430產生40 kHz的脈沖信號，在發(fā)射時，可采取每次連續(xù)發(fā)送10個周期的脈沖信號。接收到超聲波收發(fā)控制發(fā)送的信號后，給發(fā)射探頭發(fā)送超聲波脈沖，接收到超聲波返回信號第一個返回波，給計時器一個結束信號，計時器結束計時，計時器包括t12、t21，t34、t43 4個計時器。
4．2 風速、風向計算
計算風速、風向值，是通過測量順、逆風傳播時間(t12、t21、t34、t43)，進行比較并做出相關計算得出最終結果。超聲波發(fā)射時，超聲波收發(fā)控制IP模塊給計數(shù)器發(fā)送一個開始信號，計數(shù)器接收后開始計時，以8 MHz內部時鐘為計時采樣周期，以確保計時精度；接收到返回脈沖的同時給出一個信號，計數(shù)器接收到信號即停止計數(shù)，計數(shù)器在這段時間內的計時即為超聲波傳播時間。
本設計有相互垂直放置的兩對超聲波探頭，隨著風速、風向的變化，t12、t21和t34、t43都會有相應的變化，若直接按公式計算，則會出現(xiàn)負值，因此需要取VWX、VWY絕對值或比較后進行相關處理再進行計算。風向設定正東方向為0°，角度按逆時針方向增大。流程圖如圖10所示。
(1)當t12=t21、t34=t43時，為無風狀態(tài)。此時，VWX=0、WY=0，θw=θ=0。
(2)當t12<t21、t34<t43時，風速直接由公式計算得出，風向在如圖3所示中的第I象限，風向值由式(2)～式(7)計算所得θ值，即θw=θ。
(3)當t12>t21、t34<t43時，將t12、t21值互換再進行計算，再求VWX、VWY兩個的矢量合成而求得實際風速值，此時風向在如圖3所示的第Ⅱ象限，風向值θw=180°-θ。
(4)當t12>t21、t34>t43時，將t12、t21值互換并將t34、t43值互換再進行計算，此時風向在如圖3所示的第Ⅲ象限，風向值θw=180°+θ。
(5)當t12<t21、t34>t43時，將t34、t43值互換后在進行計算，此時風向在如圖3所示的第Ⅳ象限，風向值θw=360°-θ。
5 系統(tǒng)測試
把作品放置在開闊有風的地方，通電后將自動開啟，終端節(jié)點會間斷性地測量超聲波逆風和順風傳播時間等物理量，實時傳輸給MSP4 30，通過單片機運算出實時風速、風向；將其送到顯示模塊，數(shù)碼管上將顯示出當前的風速風向；再通過ZigBee實時無線傳輸至監(jiān)控機上，形成實時監(jiān)控。實測數(shù)據(jù)如表2所示。
作品在室外進行了數(shù)據(jù)采集，使用手持式風速儀作為對比，進行了實地測量。通過對-5℃、10℃、20℃不同溫度下的風速測量結果分析。通過對大量數(shù)據(jù)的分析，得出本裝置測量精準，而且根據(jù)其原理可推斷出風速越大，測量越準確，在風速大的情況下測量精準度將遠高于機械式風速儀。
6 結束語
采用8 MHz晶振的MSP430單片機，使得測量時間更加精準；然后采用以脈沖發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射接收模塊；最后硬件材質使用了有機玻璃，有效減少了環(huán)境干擾。采用低功耗、低價格的MSP430，因為其已經(jīng)把射頻、微處理器、定時器、時鐘模塊、DMA控制等功能集成到一個芯片上，而且外圍電路很少。而且在無線傳輸中ZigBee也有低成本的特點。經(jīng)過測量，設備有效傳輸距離>50 m，在此基礎上，給節(jié)點的發(fā)射模塊加入了TI公司CC2590放大器，可以把傳輸距離擴展到1000m以上的距離，而發(fā)射功耗只有-20b／mW。
下載文檔
