超声波风速风向仪的电路设计

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基于FPGA时差法超声波风速风向仪前端电路的设计

基于FPGA时差法超声波风速风向仪前端电路的设计
王葵军;谢扩军
【期刊名称】《电测与仪表》
【年(卷),期】2010(047)007
【摘要】在风能发电中,风速风向仪对系统有着极其重要的作用.本文介绍了时差法测量风速风向的原理.与传统设计不同的是,系统设计了基于低压驱动探头的驱动电路,降低了成本,减少系统因高压带来的干扰.在信号调理模块中,采用了集成低噪声放大器和滤波器.实验结果验证,各个模块的设计均符合系统的要求.
【总页数】4页(P74-76,80)
【作者】王葵军;谢扩军
【作者单位】电子科技大学,物理电子学院,成都,610054;电子科技大学,物理电子学院,成都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
【相关文献】
1.基于STM32F的超声波风速风向仪设计 [J], 刘德荣;王瑛;王铁流;张炳洋
2.超声波风速风向仪的电路设计 [J], 高中华;赵湛;杜利东;方震;吴少华
3.采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计 [J], 周康;辛晓帅
4.时差法超声波风速风向传感器综述 [J], 苗燕; 程曦
5.超声波时差法与TDC-GP21的风速风向传感器设计 [J], 丰颖; 张德胜
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高精度超声波测风仪的设计

高精度超声波测风仪的设计摘要：设计一种能用于低空风速风向测量的新型超声波测风仪。

给出了超声波测风的基本的原理，并对系统采用的互相关时延估计算法进行分析，详细描述了超声波测风仪的系统结构和时序控制。

实验证明：该系统可以精确测量风速与风向，并具有频响快，工作可靠等特点，可以用于机场区域低空风场情况的实时监测。

关键词：超声波测风；互相关检测；超声波传感器Design of ultrasonic anemometer of high precisionAbstract：a new ultrasonic anemometer which is used to measure low-level wind speed and direction is designed .the principle of the ultrasonic wind measurement is described ,and the cross-correlation time delay estimation algorithm of system is analyzed .system cofiguration and timing controll of ultrasonic anemometer are descibed in detail .experiments testify the system can accurately measure wind speed and direction .it also has others advatages ,such as fast frequency response ,good reliability ,etc .so it can be used for realtime monitoring of the situation the low-level wind field at airport.Key words : ultrasonic wind measurement; cross-correlation detection; ultrasonic transducer0前言在民航运输中，风对飞机安全进场离场影响很大：风机起降时必须根据近地面的风速和风向选择适宜的起飞、着陆方向；低空风场情况复杂时（如存在低空风切换[1]）还会根据实际情况推迟或取消航班。

D014超声波遥控电风扇调速控制电路的设计

超声波遥控调速电风扇的设计此文章不内容不全，如有需要请与QQ237513901联系，谢谢！！摘要文章系统介绍了超声波发射/接收控制电路组成、电路工作原理、电路设计、程序设计、产品制作过程。

该装置的发射和接收电路均采用超声波传感器来实现，避开了传统的红外编码遥控装置设计思路。

该设计集传感技术、电子技术于一体，其有经济、适用、使用方便等特点。

主要内容包括具体设计的方案、理论分析、给出了具体的电路图、系统调试及主要技术性能参数并进行了可行性论证。

关键词：超声波发射/接收电路;控制电路;译码电路Ultrasound remote governor design fansthe programmer include specific design, theoretical analysis, given the specific circuit diagram, system debugging and performance parameters and the main technical feasibility and feasibility studies.Key word : ultrasound launch / reception circuits、control circuits、decoding circuits.目录第1章设计思路与方案 (1)1.1 设计思路 (1)1.2 方案设计 (3)1.3 方案论证 (4)第 2 章单元电路设计 (5)2.1. 传感器设计与选用 (6)2.2 超声波发射电路的设计 (8)2.3 超声波接收电路的设计 (9)2.4 译码电路的设计 (10)2.5 控制电路的设计 (12)2.6 电源电路的设计 (17)第3章系统组成及工作原理 (21)3.1 系统组成 (22)3.2 系统工作原理 (23)第4章产品制作与调试 (24)4.1 PCB板设计 (24)4.2 元器件检测与元器件项目表 (27)4.3 产品安装 (29)4.4 产品调试 (30)总结 (31)参考文献 (32)致谢 (33)附录1附录2附录3附录4附录5前言如今风扇的用途太多了，比如在库房可以用来排气，在厨房可排油烟。

一种基于超声波测量风速风向的传感检测电路[实用新型专利]

专利名称：一种基于超声波测量风速风向的传感检测电路专利类型：实用新型专利
发明人：刘俊,颜知静,石俊
申请号：CN201921323305.0
申请日：20190815
公开号：CN210514359U
公开日：
20200512
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种基于超声波测量风速风向的传感检测电路，包括电源电路、超声波驱动电路、超声波探头组件、滤波整形电路和主控制电路，所述电源电路分别与所述超声波驱动电路、滤波整形电路和主控制电路电连接，所述超声波探头组件与所述超声波驱动电路电连接，所述超声波驱动电路与所述滤波整形电路电连接，所述滤波整形电路与所述主控制电路电连接。

本实用新型的基于超声波测量风速风向的传感检测电路，通过所述电源电路可以提供稳定的电源，通过主控制电路驱动超声波探头组件发射超声波信号，并由超声波探头组件接收到的超声波信号进行整形滤波后由主控制电路确定风速和风向，监测精度高，不会随着结构老化而影响监测结果。

申请人：武汉新普惠科技有限公司
地址：430000 湖北省武汉市江夏区藏龙岛科技园光谷8号工坊4单元3层
国籍：CN
代理机构：武汉谦源知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：尹伟
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超声波风速风向仪设计说明

超声波风速风向仪设计1.研究背景及意义风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。

风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。

杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。

热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。

这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。

现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。

2.国外研究历史及发展状况超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。

70年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的PLL（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。

同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。

该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。

80年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。

90年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。

从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。

当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果,其销售份额也排在前几位。

日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。

超声波风速风向仪设计汇总

超声波风速风向仪设计汇总硬件设计方面，首先需要设计超声波传感器模块。

该模块由超声波发射器和接收器组成。

超声波发射器产生超声波信号，而接收器接收回波信号。

这两个模块之间的距离可以确定风速的大小。

接下来是信号处理模块的设计。

该模块将接收到的超声波信号进行放大和滤波处理，以减少噪声的干扰。

随后，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。

为了确定风向，需要设计方位传感器模块。

该模块可以测量超声波传感器模块相对于北方的角度。

这将使我们能够确定风的方向。

算法设计方面，首先需要进行数据校准。

这个过程可以通过将风速仪放置在已知风速下进行校准。

通过比较已知的风速数据和测量的数据，我们可以确定校准系数。

这些系数将用于计算真实风速。

然后，需要设计算法来计算风速和风向。

这可以通过计算超声波传感器模块之间的距离差来实现。

距离差越大，风速越大。

同时，通过计算方位传感器模块相对于北方的角度，可以确定风的方向。

最后，还需要设计用户界面模块。

该模块用于显示风速和风向的数据。

可以使用LCD显示屏显示这些数据。

用户还可以通过按键来选择不同的功能和模式。

总结来说，超声波风速风向仪的设计包括硬件设计和算法设计两个方面。

硬件设计主要涉及超声波传感器模块和方位传感器模块的设计，以及信号处理模块和数据采集模块的设计。

算法设计主要涉及风速和风向的计算算法和数据校准算法。

同时，还需要设计用户界面模块来显示数据和提供用户交互。

这些设计可以使超声波风速风向仪准确地测量风速和风向，具有较高的实用性和可操作性。

超声波风速仪的设计

超声波风速仪的设计摘要风作为一种自然现象,它是影响气候变化的最重要因素之一。

本身又蕴藏着巨大的能量,能对人类活动产生重大影响。

风能利用也已经成为解决全球能源问题的重要方案之一。

风向风速测量仪用于测量目的地的风向风速,其测量到的瞬时风向风速,经计算处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值、最大风速等数据。

基于超声波的风速测量仪器结构简单、无运动部件、使用寿命长，利用超声波收、发换能器发送接收脉冲信号，没有零点漂移，以上优点很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用。

它将是机械式风速仪的强有力替代品。

本设计采用STC89C52单片机作为模块处理器，使用四个超声波探头，东西方向及其南北方向各放置一对超声波探头，通过测量两对超声波接收时间差，利用时差法分别计算两个方向的风速，最后通过向量的叠加来实现风速的测量，包括大小及其方向。

由于温度对超声波的传播具有一定的影响，故在本设计中对声波的传播进行温度补偿，温度补偿的实现通过性能稳定的温度传感器DS18B20进行温度检测，从而实现风速的补偿。

在通信模块中，通过RS485通信技术，采用MODBUS协议，并且带有CRC 校验，将单片机采集的数据经过处理计算上传至上位机，实现上位机对风速的监测、存储、分析，进而实现在上位机上完成数据的显示、风速风向的测定值的显示、历史数据的查询等扩展功能。

超声波的风速测量仪研究的目的是实现风速风向的自动测量，提高风速测量的精度，扩展风速测量范围，进而取代目前国内市场上缺陷颇多的传统机械旋转型风速仪；引入RS485通信技术，使区域气象监测更具自动化、智能化。

关键词：STC89C52单片机；超声波;TDC-GP21；RS485通信；ABSTRACTThe wind as a natural phenomenon, it is one of the most important factor in the impact of climate change . Itself has huge energy,which can have a significant impact on human activities. Wind energy has become one of the important solutions to solve the problem of global energy. Ultrasonic anemometer is used to measure wind direction and speed, the measured instantaneous wind direction and speed, the calculation by computing, can be output value, average wind speed and direction values,maximum wind speed data. The anemometer based on the ultrasonic ,simple structure, no moving parts ,long service life, sent to send and receive pulses signal by ultrasonic transducer , no zero drift. The advantages aboved is to overcome the inherent flaws of mechanical anemometer. So it can work around the clock, normal for long, more and more widely used. It will be a powerful alternative of mechanical anemometer. This design adopts STC89C52 microcomputer as the processor module . It uses four ultrasonic probe, the east-west and north-south direction placed a pair of ultrasonic probe, by measuring the time of ultrasonic transmitting and receiving . Time difference method is used to calculate wind speed and finally getting the result by vector superposition including the size and direction. Due to the influence of temperature on the ultrasonic transmission, so in this design temperature compensation is used , the realization of temperature compensation by temperature sensor DS18B20 that has stable performance , so as to realize the compensation of wind speed. In communication module, through the RS485 communication technology, adopts the MODBUS protocol, and with a CRC check. The microcomputer collect processed data to upload the first machine , realizing wind speed monitoring, storage, analysis. The purpose of ultrasonic anemometer is to realize the automatic measurement of wind speed and direction, improve the accuracy of measurement, expanding the range of wind speed measurement . Introduction of RS485 communication technology, make the regional meteorological monitoring more automatic and intelligent.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 前言 (1)1.1 背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 设计的任务与要求 (3)1.4 本设计的创新点 (3)2 系统的总体方案设计与论证 (4)2.1 系统的整体方案设计 (4)2.2系统的整体方案论证 (5)3 系统的硬件设计 (6)3.1 单片机简介 (6)3.2超声波的概述 (8)3.3电源模块 (10)3.4 风速仪的测速原理 (12)3.5 超声波反射接收模块 (14)3.6 485通讯模块 (15)3.7温度补偿模块 (17)4 系统的软件设计 (19)4.1 计算风速算法的选择 (19)4.2 主程序流程图 (21)4.3 温度测量部分的软件设计 (21)4.4 485通讯模块的软件设计 (23)4.5 上位机软件设计 (25)结论 ............................................... 错误!未定义书签。

超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪设计1.研究背景及意义风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。

风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。

杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。

热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。

这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。

７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。

同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。

该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。

８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。

９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。

从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。

当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。

日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。

采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计

ＺｈｕＫａｇ，ＸｉａｓａｏｎｎＸｉｏｈｕｉ
（ｎｓｉｕｅｏｆＡｕｔｍａｏｎＥｎｎｅｒｎｇ，ＵｉｅｓｔｆＥｌｃｒｉｉｎｅａｃｏｏｆＣｈｉａ，ＣｈｎＩｔｔｔｏｔｇｉｅｉｖｒｉｙｏｅｔｏｎｃＳｃｅｃｎｄＴｅｈｎｌｇｙｏｎｅｇｄｕ６１１，Ｃｈｉａ）１３７ｎＡｂｓｒｃ：ＡｎｕｔａｓｎｉｎｅｏｍｅｅｓｄｓｇｄｕｓｎｇｄｉｅｔｔｍｅｄｆｅｅｅｍｅｈｏＴＭＳ０Ｆ２８１ｓｕｓｄａｈｅｃｎｔｏｌｕｔｆｒｔａ — ｔａｔｌｒｏｃａｍｔｒｉｅｉｎｅｉｒｃｉｉｆｒｎｃｔｄ．３２２ｉｅｓｔｏｒｎｉｏｒｎｓｍｉｔｎｇａｎｅｅｖｎｔａｏｎｉ．ｉｉｉｃｉｓｉｐｅｅｔｄｕｓｎｇａｌｗｉｃｓｅｄｃｎｇｔｍｐａｔｏｌｃｒｔｉｄｒｃｉｉｇｕｌｒｓｃＤｒｖｎｇｃｒｕｔｉｍｌｍｎｅｉｎａｏｇｓｔｈｅ，ｒｕｉｈｅｉｃｆｅｅｔｏｍａｅｔｃｉｅｆｒｎｃｇｎｉｎｔｒｅｅｅ
超声波风速风向仪利用模拟开关设计驱动电路，少了电磁干扰对电路的影响；用限幅、大、弦脉冲转换的方法设减利放正
计接收电路，少了Ａ／转换波动对信号捕获以及时间点判断的影响。减Ｄ
ｉｈｉｃｉｎｔｅｃｒｕｔ．ＲｅｅｖｎｉｃｉｉｄｓｎｄｂｓｎｉｔｎｍｐｉｃｔｎｓｎｕｓｒｎｆｒｅｕｉｇｔｅｅｆｃｆＡ／ｃｎｅｓｏｌｃｃｉｉｇｃｒｕｔｓｅｉｅｙｕｉｇｌｉｇａｌｉａｉｉｅｐｌｅｔａｓｅ，ｒｄｃｈｆｅｔＤｏｖｒｉｎｆｕ — ｇｍｉｆｏｎｏ

矿用超声波风速风向仪及其测风方法与设计方案

本技术涉及一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法，其中，所述超声波风速风向仪包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布。

本技术提供的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，能够适应矿井恶劣的使用环境。

技术要求1.一种矿用超声波风速风向仪，其特征在于，包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布；其中：所述主控模块发送开始测量信号，所述滤波电路及所述信号放大电路开始工作，所述超声波收发传感器两两对发测速超声波信号，直至所有超声波收发传感器均完成测速超声波信号的收发；所述主控模块将测定数据传输到所述数据处理模块进行数据处理，以获得矿井巷道的风速风向信息；所述数据处理模块通过RS485或WIFI信号将所述风速风向信息传输到所述服务器及控制电脑终端。

2.根据权利要求1所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述超声波收发传感器包括超声波换能器、收发信号主控模块、声波发射驱动模块、滤波放大模块、时间计算单元、信号处理模块以及回波信号接收模块，其中：所述超声波换能器包括依次相连的缓冲保护层、声波吸收物质和控制电路模块，所述超声波换能器的外壳上涂有隔音涂层，所述缓冲保护层中设置有压电振子，所述控制电路模块通过信号线缆与外部进行数据交互。

3.根据权利要求2所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述缓冲保护层由硬质硅脂材料构成，以保护所述超声波换能器内部的压电振子及控制电路模块不受井下环境的影响。

超声波风速风向测试仪的设计

ｖ
／ｉ
ｍ
风向ｅ公式：ｃｏｓ设ｉＦ＿东方向为０ｏ，角度按逆时针方具体原理图见图１，首先ｌ探头作为发射探头，２探头作向增大。为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后２探头作为发射将东西方向上风速及公式（２）求得风速代入可得：探头，１探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。
斟协论坛・２０１３年第７期（下）——
４超声波风速风向测试仪的实现
超声波风速风向测试仪硬件模块主要有超声波传感器、超声波发送驱动及接收处理电路、实时时钟、ＦＬＡＳＨ、ＲＳ４８５、设计中使用的超声波探头为美国ＡＩＲＭＡＲ公司的ＡＴ２００（２００ｋｈｚ）探头，探头推荐的接收范围为ｌＯｃｍ～２ｍ，典型应用ＡＤ采样、探头温度测量也路、探头力ｆＪ热电路等。系统方框图为１２ｃｍ～２ｍ。为使测试仪结构小巧，四个探头分别在东、如图４所示。
系列单片机进行控制准确获取时差，实现风速风向测量。该测试仪在风洞测试时，获得较高地精度和稳定度。关键词：超声波风速风向时差法中图分类号：ＴＰ２７４．４文献标识码：Ａ文章编号：１００７．３９７３（２０１３）００７．１０４．０３
同理可求得南北方向上风速为ｖｗｙ：ｖ＝导（ ÷一士）
进而得出风速Ｖ与ｖ、ｖ、ｖ的关系式：Ｖ，２￣－ｔ－Ｖｗｙ。代入化简可得风速：Ｖｗ＝：一ａｔ１），＋（１１）２（２）

超声波风速风向测试仪的设计

超声波风速风向测试仪的设计摘要：该设计的超声波风速风向测试仪具有低功耗、精度高、可靠性强、检测速度快、检测范围大（测量范围：0～60m/s）等特点。

该测试仪，基于传统时差法的超声波风速风向检测方法，并采用同侧v 型安装方式，由dspic33f系列单片机进行控制准确获取时差，实现风速风向测量。

该测试仪在风洞测试时，获得较高地精度和稳定度。

关键词：超声波风速风向时差法中图分类号：tp274.4 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）007-104-031 引言近几年，用超声波实现风速风向检测一直是个炙手可热的课题，目前该技术在国外已应用的非常成熟，而在国内该技术用于测风领域还处于发展阶段。

国内生产的自动气象站在测风领域大都仍采用传统的机械式测风技术，超声波测风技术未得到广泛应用。

近些年，随着国外超声波测风设备的流入，国内超声波测风的设备几乎都被国外厂家占据，而国内厂家仍未生产出成熟的超声波测风设备。

随着气象站在各个领域的广泛应用，超声波测风设备由于其具有传统机械式测风设备所不具有的独特优势，必将占据更大的市场份额。

鉴于此，本文设计的超声波风速风向测试仪具有量程宽、精确度高的优点，且能快速应用于自动气象站。

2 超声波时差法测风原理超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系。

对于特定风向传播（如东西方向或南北方向），可选用一对收发一体的超声波探头，保证两探头距离不变，按东西或南北方向放置，以固定频率顺序发射超声波，测量两个方向上超声波到达时间，由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度，经过系统处理换算即可得到风速值。

具体原理图见图1，首先1探头作为发射探头，2探头作为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后2探头作为发射探头，1探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。

图1 超声波风速、风向测量原理图设南北（或东西）两超声收发器的距离为d，顺风传输时间为t12，逆风传输时间为t21，风速为vw，超声波传播速度为vc，可得：=vc+vw=vc-vw化简可得：vw= （-）（1）该方法能准确测得单一方向的风速。

测试系统设计

测试系统设计超声波二维风速风向测量系统设计班级；姓名：学号：超声波二维风速风向测量系统设计超声波二维风速风向测量系统工作原理为：由控制芯片发送超声波驱动控制信号，经驱动电路整理后作为超声波传感器的驱动信号，利用超声波传感器组将当前风矢量信息转换为电信号送进信号接收电路，再经信号处理电路的滤波放大、整形、相位差测量，获得与风矢量信息具有特定关系的相位差信号后将其送入控制系统进行运算、处理、补偿后获得风速风向信息，送至数码显示同时进行信号输出。

超声波二维风速风向测量系统原理框图如图2-2 所示。

指向性送波器的声响输出比称为指向性增益。

频率越高、振动面积越大，指向性越尖锐，可高效地发射声波。

指向性很大程度上还受到传感器喇叭的形状、振子的振动模式等的影响，所以应根据要检测的动作区域，来决定传感器部分的形状、使用频率、振子的种类等。

从振子中心，即声响能级(声强)从最设计概述风矢量(包含风速、风向信息)是很多环境中重要监测指标之一，所以对风矢量的测量在工业、气象等很多领域都具有重要意义。

风矢量测量应具有实时、精确、简单可靠等特点。

为满足风电机组对35m/s及全角度风速风向精确测量的要求及对风量传感装置体积的要求，同时也为了将本设计进一步拓展到小型气象站等应用场合，本设计讨论一种以超声波传感器为元件，将被测环境中的风矢量信息转化成电信号，送入以单片机为核心的处理单元，进行实时分析计算和LCD显示输出当前风速风向值。

主要的设计指标有：工作温度：-40~60℃相对湿度：0~98 %大气压力：80~106 kPa 测量范围：0~40 m/s；0~ 359 °(度)分辨率：0.1 m/s 精度：±1%超声波风速测量技术的迅速发展使其优于传统机械式测量法的特点更加显著：可测量微风速、理论测量无上限、对待测风场没有影响、不受气流成分的变化影响、无转动部件、无机械惯性、机器损耗小、无需启动风速、维修保养方便。

超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪设计一、介绍二、超声波发射与接收超声波风速风向仪的发射与接收系统是基于超声波传感器的，它包括一个发射器和多个接收器。

发射器通过产生超声波脉冲发射向前方，而接收器则用于接收回波信号。

发射和接收器之间的距离需要保持一定的间隔，以便能够准确测量回波的时间差。

三、测量回波时间差超声波风速风向仪通过测量回波的时间差来计算风速。

当超声波发射器发射脉冲后，它会遇到空气中的颗粒，从而产生回波。

接收器接收到回波信号后，通过测量回波的时间差来计算超声波在空气中传播所需的时间。

回波时间差越小，风速越快；回波时间差越大，风速越慢。

四、计算风速和风向在得到回波时间差后，通过计算风速和风向来实现对风的测量。

风速可以通过回波时间差与超声波在空气中传播的时间之比来计算。

风向则可以通过回波的相位差来计算，相位差的大小和方向可以确定风的来向。

通过将测得的风速和风向输出到显示屏或计算机上，用户可以实时了解当前的风速和风向信息。

五、其他考虑因素除了以上的关键设计要素外，超声波风速风向仪的设计还需要考虑其他因素，如传感器的精度、工作温度范围、防水性能、电池寿命等。

传感器的精度对于测量结果的准确性至关重要，高精度的传感器可以提供更加可靠和精确的测量结果。

工作温度范围需要根据实际应用场景进行选择，以确保仪器在各种环境条件下的正常工作。

防水性能则是用于保护仪器不受外界湿度和水分的侵蚀。

电池寿命则决定了仪器的使用寿命和便携性。

总结：超声波风速风向仪是一种用于测量风速和风向的仪器，其主要原理是通过发射超声波脉冲并测量回波的时间差来计算风速。

通过设计合适的超声波发射与接收系统、准确测量回波时间差、计算风速和风向等，可以实现精确、可靠的风速和风向测量。

同时还需要考虑其他因素如传感器的精度、工作温度范围、防水性能、电池寿命等，以满足各种实际应用场景的需求。

基于STM32F4的超声波测风速风向仪的设计

ＤｉｒｅｃｔｉｏｎＩｎＳｔｒＵｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｆ４
ＣＨＵＨａｎｇ．ＺＨＡｏＪｉａ－ｊｉａ
（ＬｏｇｇｉｎｇＳｉｇｎａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＸｉ ’ ａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００６５Ｃｈｉｎａ）
楚航．赵佳佳
（西安石油大学测井信号与信息处理研究室，陕西西安７１００６５）
摘要：为改善传统的风向仪与风速仪存在的两者分离的情况，且因其使用旋钮件易造成器件的磨损、易受风沙、雨雪的影响，
需要定期维护等问题。本文提出了一种使用超声波器件对风速风向进行测量的设计理念。通过ＳＴＭ３２发出矩形波，经过
中图分类号：ＴＨ７６５．４，ＴＨ２７４．５
文献标识码：Ａ
文章编号：１００３－７２４１（２０１７）０７ — ０１３３ — ０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｉｎｇＷｉｎｄＳｐｅｅｄａｎｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄｉｎｔｒｕｍｅｎｔｓ，ａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒａｃａｕｓｅｄｂｙｕｓｅｄｋｎｏｂｓａｎｄｄｕｓｔｗｉｎｄ，ｒａｉｎｓｎｏｗ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｈａｖｅｒｅｇｕｌｒａｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｔｏｍｅａｓｕｒｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．ＴｈｒｏｕｇｈＳＴＭ３２ｓｅｎｄｓｒｅｃｔａｎｇｌｕａｒｗａｖｅ，ａｆｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｔｍａｋｅｓｈｅｔｕｌｒａｔｓｏｎｉｃｍｏｄｕｌｅ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｓｕｌｒｔａｓｏｎｉｃｔｒｉｇｇｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｏｕｔｅｒｆａｎｗｏｒｋ，ｉｔｍａｋｅｓｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｍｏｄｕｌｅｔｏｒｅｃｅｉｖｅａｃｈｎｉｃｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｆｔｅｒｒｅｃｏｎｉｇｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎ，ｉｔｄｉｓｐｌａｙｓｈｅｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄａａｔｓｕｃｈａｓｗｉｎｄｓｐｅｅｄ，ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎＳＯａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｉｔｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓａｌｓｏａｖａｉｌａｂｌｅｔｏａｇｉｃｒｕｌｔｕｒｅ，ｍａｒｉｎｅａｎｄｏｔｈｅｒｉｅｆｌｄｓ．Ｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｌｆｅｘｉｂｉｌｉｔｙｎｄａａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｒａｔｓｏｎｉｃ；ｐｕｌｓｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ＳＴＭ３２；ｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ

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ａｎｄｐｅａｋｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔｂｉａｌｉｔｙ，ａｎｄ
１００１９０；２．中国科学院大学，北京１００１９０）（１．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京
摘要：超声波风速风向仪由于其精度高、反应速度快等诸多优势，具有广泛的应用。文中针对基于时差法超声风速风向检测系统对处理器配置要求高、接收信号易受干扰等特点，设计了系统的超声波收发电路、隔离电路、放大滤波电路及
ｉｎｔｅｆｅｒｒｅｄ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒｎｓａｍｉｔ — ｒｅｃｅｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓｏｌａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎａｎｄｉｆｌｔｒａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ
ＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｎｅｍｏｍｅｔｅｒ
ＧＡＯＺｈｏｎｇ — ｈｕａ，ＺＨＡＯＺｈａｎ，ＤＵＬｉ — ｄｏｎｇ，ＦＡＮＧＺｈｅｎ，ＷＵＳｈａｏ — ｈｕａ
峰值检测电路。实验测试表明，系统稳定性好，检波信号峰值识别度高，极大地方便了后续分析处理，具有一定实用参考价值，且系统具有成本优势。
关键词：超声波；风速风向测量；时差法；峰值检测中图分类号：ＴＨ８１５文献标识码：Ａ文章编号：１００２—１８４１（２０１４）叭一００１９— ０２
２０１４焦
仪
表技术与传感器２１４Ｎｏ．１
第１期
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
超声波风速风向仪的电路设计
高中华，赵湛，杜利东，方震，吴少华
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，
ｔｈｅｐｅａｋｏｆｅｎｖｅｌｏｐｅｓｉｎａｇｌｉｓｗｅｌｌｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｆａｃｉｌｉｔａｔｅｓｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔａｎａｌｙｓｅｓ，ａｎｄｉｔｉｓｖａｌｕａｂｌｅｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｂｅ — ｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｃｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｒｔａｓｏｎｉｃ；ｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｐｅａｋｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｉｖｎｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｉｎｈａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｈａｓｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄａｎｄＳＯｏｎ．Ｕ１－ｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｕｓｕａｌｌｙｒｅｑｕｉｒｅｆａｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒｗｉｈｔｈｉｇｈｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｉｇｎａｌｉｓｅａｓｉｌｙ