测试系统设计

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超声波二维风速风向测量系统设计

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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。本设计依据超声波测风原理—利用超声波信号在空气中传播时所承载的气体流动信息来实现测量。外界激励电压作用下，压电陶瓷随电压和频率的变化产生机械形变受迫振动时，压电陶瓷可产生电荷。利用这一原理，双压电晶片元件在外

加电信号作用下会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可将压电陶瓷用之超声波传感器。超声波传感器主要特性包括：

1. 声压特性声压级(SPL)是表示音量的单位，可用公式表示为：SPL =

20logP/Pre(2-1)其中：P—有效声压(μbar)；Pre—参考声压(4210 ×μbar)。

2. 灵敏度特性灵敏度K是表示声音接收级的单位，可用下式表示为：

K = 20log E /P(2-2)

其中：E—产生的电压(V rm s)；P—输入声压(μbar)。

3. 指向特性将所需的声响能量施加到目标物上所必须的无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。

1 系统结构设计

超声波二维风速风向系统结构框图如图4-1所示。信号处理电路主要包括信号拾取电路、预处理电路(信号放大、滤波)、时间差测量电路。本文采用相位差法进行时间差测量，采用高速数字芯片及元件搭建测量电路采集与风矢量信息具有一定关系的相位差，并将其转为相应直流模拟信号送入控制芯片，进行计算处理后获得风矢量信息。红外遥控相关电路主要用于系统的出厂标定、校准等工作。温度检测部分采用外置温度传感电路，实时测量环境温度以合完成系统的温度补藏工作

2、系统电源模块

本设计的电源模块负责将仪器外部输电线上的工业标准供电电压(9V~24V)转换为仪器内部工作电压，包括仪器内部各模块工作电压、单片机供电电压、基准电压发生电路供电电压、传感器驱动电压等。系统电源模块首先通过MC34063芯片获得仪器内部供电电压，再通过AMS1117芯片获得单片机工作电压、TL431基准电路获得基准电源。MC34063是一种集成DC/DC变换器控制电路，片内包含温度补偿带隙基准源、占空比周期控制器、驱动器和大电流输出开关，能够输出1.5A电流。的输入电压范围宽且输出电压可调，可利用少量的外部元件构成开关式升压电路、降压式变换器和电源反向器。本设计利用MC34063构成降压器，电路如图4-3所示。图中L5为储能电感，同时降低输出电压毛刺；L6用于降低34063对输入电源电压的干扰，毛刺；C41为定时电容；D209采用的是IN5917有效的提高了转换的效率；输出电压值由R42和R43共同决定.

3 传感器驱动电路

40A16TR-1型超声波传感器工作中心频率为40KHz，可采用正弦波或方波驱动，根据超声波换能器资料及大量对比实验结果得知，驱动信号的Vp-p值越大，超声波接收器所能接受到的有用信号幅度越大，越利于后续信号的处理，而本型号传感器采用同等Vp-p值的正弦波驱动效果比方波驱动效果好。依据实验结果，本设计采用8V正弦波驱动信号。

使用单片机的Timer_A定时计数器完成PWM脉冲调制信号输出，送出40KHz 方波到PIN。Timer_A使用定时功能，选择增计数模式，Timer_A模块选择输出模式7—PWM复位/置位，实验显示，8M主频晶振前提下，TACCR0寄存值值设定为99时，信号频率能够稳定在39.99KHz，满足传感器使用要求。单片机送出的方波经过TLE2142运放构成的带通滤波放大电路后，得到中心值在3.0V、峰峰值为5V左右的正弦波信号FF，作为最终用的驱动信号送给超声波传感器。其中作为偏置电压的3.0V电压点，由TL431构建3.0V基准电压电路来获得。-带宽这两个参数。GBW是一个常量，表示增益和带宽的乘积，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。是用来简单衡量集成运放性能的一个参数。考量运放的GBW参数，应综合考虑其datasheet上提供此参数的测试条件，若制造厂商用增益为+1V/V，输出电压为Small Signal条件下的带宽来定

义一款运放的GBW值为2.5G，要比宣称的GBW为3.9G但测试条件是G(增益)=+20V/V的运放具有更宽的带宽，因为计算后，前者带宽为2.5G，而后者的

带宽为3.9G/20=195M，公式为：GBW =G ×B(4-2)

其中：G—运放增益；B—带宽。

SR指单位时间(μs)器件输出电压值的可变范围，表示集成运放对信号变化速率的适应能力，是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数，单位为V/μs。器件的输出电压按线性规律变化的条件是，输入信号变化率的绝对值小于SR。信号幅值越大，频率越高，要求运放SR越高。SR是运放的阶跃响应速率，与运放的频响特性有关，一般认为是带宽满功率频响(斜率最大值)

4 信号处理电路