STM32开发的风速风向测试仪

1万 · 2019-6-27 15:54

随着科技水平的发展，越来越多的领域需要严格的风信息。由于风速和风向在这些领域
中的重要性，各种测风仪器应运而生，超声测风仪就是其中的一种。这种利用超声波的特性
测量风速风向的系统具有高精度、反应快、可抗干扰等优点，能够很好的满足相关领域的应
用需求。本文针对国内外的发展状况，在调查了各种超声波测风技术后，选用时差法作为超
声波测风的主要原理，并设计出了一种基于STM32微处理器的超声风速测量系统。

1万 · 2019-6-27 15:55

1.硬件部分基于模块化的思想进行设计，以STM32为系统的核心，协调控制各个外围
电路。换能器通过驱动电路发出超声信号，接收电路完成对脉冲信号的放大与滤波，地磁测
量模块则用于实现系统的定位。系统可通过数据存储单元来访问历史数据，外界与系统的通
信则由通讯接口电路来实现。
2.软件方面采用结构化的程序设计方法，基于ItC/OS-II嵌入式实时操作系统进行设计，
实现对每个硬件模块的控制。该部分通过超声信号的传播时间来计算风矢量，并完成数据的
存储与传输等功能。
最后将组装好的样机，在风洞检测设备中进行了一系列的调试与测量，并对数据进行了
分析。测试结果表明，风速的精度可达f0.2m/s(风速<_35m/s)或小于测量值的f2%(风
速>>35m/s)，风向的精度可达X2.50，可以满足工程应用的需求，能够在大多数的场合实现全
天候的测量，在测风领域有着一定的应用前景。

1万 · 2019-6-27 15:55

纵观人类的历史发展，自然科学对人类的发展起到了重要的作用，对风的研究就是其中
之一。空气在水平方向上的流动形成了风，它是由太阳辐射使地表冷热不均所引起的。风是
气象要素的组成之一，与人类的生产生活息息相关。随着时代的发展，当前的农工业生产、
交通运输、军事国防等都需要数据严格的风资料。其中，风速风向数据是重要的组成部分，
所以在对它们的检测上需要可靠性更高、适用性更广、抗干扰更强[fll的方式。风速测量系统
就是专门用来测量一定环境下的风速风向的仪器，它通过内部的程序计算可以得出实时的可
靠数据，在一些具体的行业拥有极其广泛的应用前景[I}l
智能化是当今这些设备仪器的发展趋势，因而对风速风向的测量不再仅仅局限于测量范
围与精度。超声式的风速仪因其短暂的响应时间、长久的使用寿命、极强的抗干扰能力以及
可全天候监测等优良特点，在测风领域逐渐成为设计与发展的主流。而且较之于一些传统的
风速仪，其更有着易于安装与维护、适合恶劣环境下工作等优势。但目前国内对这类仪器的
需求主要依赖于进口，它们价格昂贵而不利于在国内的普及。所以对于超声风速测量系统的
研究，有利于打破国外的垄断。同时，超声风速仪作为一种小型化的气象测量设备，对其进
行智能化方面的研究能够使得仪器更具适用性，从而也更能够满足市场的需求。

1万 · 2019-6-27 15:56

风速风向的测量最早可以追溯到1846年，爱尔兰的一位科学家基于机械加工与电子技
术之类的相关理论，设计出了第一台风杯式风速计。随着技术和理论的不断完善，在测量风
速风向方面有了更大的突破，当前比较成熟的测量风速的仪表有很多种类型，如机械风速计、
热敏风速计、超声波风速计[[3]、硅压阻固态正交式风速计[[4]等等。在这些测风仪表中，机械
式风速计是最为传统的测量方式，其中的风杯式风速计因为其历史的发展等原因，是机械式
风速计中应用最为广泛的阎。但是，传统的机械式测风仪因其有活动部件的缘故，会存在机
械磨损和惯性测量的问题，所以需要定期维护，并且寿命有限。热敏风速计利用一种称为“热
线”的金属丝作流体探头(4]，调节系统的电流或电压维持其温度恒定，然后通过对系统的电
学量的测量可以拟合出相应的风速风向。硅压阻固态正交式风速计是当前世界上新发展出来
的一种测风技术，它主要是利用固态压力传感器来输出与正交方向的风速成比例的信号[[6]}
最后通过上位机的联调出风速数据。但是在实际应用中，由于温度对半导体材料的影响不可
避免，因而这种侧风系统会存在突出的温漂问题。

1万 · 2019-6-27 15:56

超声波在空气中的传播速度会因空气流动的速度而变化，超声风速测量系统常常利用超
声波的这种特性来测量风向风速。与传统的机械式测风系统相比，这种测量方法的最大特点
是整个系统不存在任何的机械部件，所以就不会存在机械磨损与惯性滞后等问题[}l。相比较
热风式测风系统，超声式的测量范围更广，它在大风的环境下非线性误差更小。另外，超声
式测量方法在低于00C的环境下，不会因为温度差异而产生较大的误差。正交式测风方法是
世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)推荐的测风换代新技术[[6]，但它需
要采取一定措施来应对传感器的温度漂移问题。而超声式测风系统中没有使用对温度变化敏
感的半导体材料，外界自然条件的变化对其测量的准确性影响不是很大。

1万 · 2019-6-27 15:56

超声波因其良好的束射特性在各行各业都有着广泛的应用，国外在利用超声波进行流速
测量方面己经有上百年历史，超声风速计就是流速测量技术比较成熟的一种应用。1931年，
德国学者吕特根提出了用两个声学信号的时间差法测量流量的可能性[[$]，但局限于当时科学
环境，该方法只停留在学术研究上。直到上个世纪中期，美国科研人员率先提出了“鸣环”
测量法，即通过多次的循环将时差扩大然后再进行测量，这种方法弥补了当时因电子技术发
展缓慢造成的测量精度低的问题[[9]。但由于当时理论研究的局限性，这种流量计的稳定性与
可靠性并没有保证。到了70年代，集成电路制造工艺开始迅速发展，各种先进的电子电路
技术逐渐被运用到流速测量中，特别是工作稳定的锁相环技术的出现，使得流速测量的精确
性得到了提高。随后又出现了锁相频差法等测量方法，这些方法在缩短测量周期的同时几乎
完全消除了声速对测量精度的影响[[l}]a }}年代左右，随着微电子技术的不断突破，微处理
器芯片逐渐在仪器仪表的设计中被应用，跨时代的智能化仪器仪表[(11]由此产生。近二十多年
来，单片机技术的广泛运用，使得超声波流量计更具高性能的同时更加智能化。这种技术不
仅能够进行复杂的计算和数据处理[[12]，而且可以实现人机交互，从而提高了操作的便捷性。

1万 · 2019-6-27 15:57

超声波因其良好的束射特性在各行各业都有着广泛的应用，国外在利用超声波进行流速
测量方面己经有上百年历史，超声风速计就是流速测量技术比较成熟的一种应用。1931年，
德国学者吕特根提出了用两个声学信号的时间差法测量流量的可能性[[$]，但局限于当时科学
环境，该方法只停留在学术研究上。直到上个世纪中期，美国科研人员率先提出了“鸣环”
测量法，即通过多次的循环将时差扩大然后再进行测量，这种方法弥补了当时因电子技术发
展缓慢造成的测量精度低的问题[[9]。但由于当时理论研究的局限性，这种流量计的稳定性与
可靠性并没有保证。到了70年代，集成电路制造工艺开始迅速发展，各种先进的电子电路
技术逐渐被运用到流速测量中，特别是工作稳定的锁相环技术的出现，使得流速测量的精确
性得到了提高。随后又出现了锁相频差法等测量方法，这些方法在缩短测量周期的同时几乎
完全消除了声速对测量精度的影响[[l}]a }}年代左右，随着微电子技术的不断突破，微处理
器芯片逐渐在仪器仪表的设计中被应用，跨时代的智能化仪器仪表[(11]由此产生。近二十多年
来，单片机技术的广泛运用，使得超声波流量计更具高性能的同时更加智能化。这种技术不
仅能够进行复杂的计算和数据处理[[12]，而且可以实现人机交互，从而提高了操作的便捷性。

1万 · 2019-6-27 15:57

1万 · 2019-6-27 15:57

目前国外己经有许多专门设计超声风速测量系统的公司，如图1-I所示列出了部分国外
产品。英国GILL公司生产的WindObserver II风速风向仪采用超声波时差法的测风原理，其
金属外壳可以确保系统的坚固稳定，并且数据输出速率和格式都是用户可选的。它能够测量
最高65m/s的风速，测量精度保持在}2%，而风向的测量精度在t20以内。荷兰VAISALA公
司的WMT52测风仪是新型测风系统的代表，其采用超声波相位差法测风，可测量0-r60m/s
的风速，风速在l Om/s时的测量精度为幻%，风向测量精度为士30。而且与大多产品不同的
是，它还兼有USB接口传输数据的功能，为用户的使用提供了便利。美国R.M.YOUNG公
司的86000系列产品也采用了三角配置结构，但能够输出高达75m/s的风速而精度不会超过
f3，风向测量精度在}2“范围内，输出频率更是能够达到20Hz。这些产品己经在气象、交
通、环境监测等领域广泛应用，占据了市场的大量份额，并有着良好的使用价值。

1万 · 2019-6-27 15:58

1万 · 2019-6-27 15:58

上个世纪70年代左右，国内才开始对自动化仪器仪表进行研究研制。10年之后，仪表
的可靠性有了一定的提高，但在利用超声波测量流速方面的研究寥寥无几。到了上世纪末，
随着科研经费的增加以及科研队伍的逐步壮大，国内开始了对国外的一些超声测风系统进行
学习与仿制。不过这些年，通过引入国外先进的技术，国内也不再仅仅处于仿制研发阶段，
目前主要以改进测量方法及算法〔191为主要研究方向，目的是为了提高测量的精确度和抗干
扰能力，因而也能够自主研发一定指标的超声风速测量系统[20]。近年来，国内的相关产品也
在实际中得到了应用，可以生产出测风系统的有成都成电电子、深圳智翔宇仪器以及湖南赛
能环保科技等等，图1一所示为深圳智翔宇仪器生产的CFF2D-3风速风向仪。国内的这些
产品大多外观类似，其标称指标可以达到地面测风的标准，表1.1列出了相关产品的具体参
数，并与英国GILL公司的同类产品做了对比。从表格中可以看出，国内产品采用更为严格
的标定方式，在风速风向的测量精度方面与GILL公司不分上下，但风速的测量范围普遍较
窄，并且在数据输出方式的选择上存在单一性的问题。

1万 · 2019-6-27 15:58

1万 · 2019-6-27 15:59

纵观这些年，国内利用超声波测风的技术发展迅速，虽然商用的风速仪性能国外较领先
于国内，但国内越来越多的理论研究和实践经验开始应用于自主研发中。相关产品己经在国
内气象监测、道路交通、海上航行等领域中被使用，打破了欧美日等企业的垄断，取得了比
较好的效果。

1万 · 2019-6-27 16:00

实际工程应用的要求，将风速风向的测量指标制定如下:
C1)风速测量范围:0---48m/s;
<2)风速测量精度:}0.3m/s(风速<_35m/s )，小于实测值的3%(风速>>35m/s ) ;
<3)风向测量范围:03600;
<4)风向测量精度:}30(风速>>1.Om/s时)。
另外，在串行数据输出方面，可选择RS-232lRS-485/SDI-12接口进行传输，系统的倾斜
角度也可以为安装的便利而选择性输出。

1万 · 2019-6-27 16:00

1万 · 2019-6-27 16:00

超声波因其明显的束射特性，绕射现象小，能够成为射线而定向传播[f221。同时，超声波
又兼具声波的反射、折射、衍射等特性，因而超声波常常用于测距、定位等技术。介质能够
起到吸收能量的作用，所以在传播过程中随着距离的增加，超声波的能量会得到相应的衰减。
研究表明，超声波的频率越高，其衰减速率越大[[231。由声学实验f2al得出，频率在40kHz左
右时声学噪声能量最强，到了500kHz能量开始减小，因此频率对超声波在测量技术方面的
精确性有着一定的影响。超声波换能器能够产生一定频率的超声波，其工作频率直接影响着
测风系统的精度。
超声波换能器是在超声频率范围内实现机械能与电能之间相互转换的装置，又被称为超
声波传感器或超声波探头。超声波换能器可以作为超声波的接收器或发射器，也可以同时具
有接收和发射的作用。超声波换能器按照能量转换的原理划分，可以分成压电类、磁致伸缩
类、电动类等[[251，它们产生的声学特性各不相同，因而也有着不同的用途。在测速测距领域，
目前应用比较广泛的是压电型超声波换能器fuel，技术也相对而言比较成熟，本课题选用的就
是该种类型的换能器。这种换能器主要由能够产生压电效应的材料制作而成，所谓的压电效
应是指，当压电体沿一定的方向受到外力的作用而发生形变时，在压电体的两端表面会产生
符号相反的电荷，使得其成为带电体，而在去掉外力后，又会恢复成不带电的状态。通常可
以用来制作成具有压电效应的材料有石英、压电薄膜、压电陶瓷等，目前用的比较广泛的材
料为压电陶瓷。

1万 · 2019-6-27 16:01

1万 · 2019-6-27 16:01

为顺利完成换能器的发射与接收，超声波需要有良好的指向性，而其指向性与换能器的
尺寸和频率有关[[z9]。换能器的中心频率越高，分辨率就越高，也能够有更好的指向，而且换
能器的尺寸也会更小[[}]，测量的精度会更高。但是，超声波在传播过程中，会随着传播距离
的增加而发生能量的损失。超声波这种能量的损失与自身频率有关，由于声波在介质中的衰
减与其传播频率的平方成正比，所以在选用高工作频率的换能器同时，还要保证与之对应的
换能器能够接收到足够强度的超声波信号。
目前在国内的超声测风系统的研究中，主要采用的是频率为40kHz或200kHz左右的换
能器[[30]。考虑到工作频率与尺寸的关系，选用40kHz的换能器会因为尺寸过大而出现挡风
问题，影响测量精度。高频率的换能器尺寸小，因而可以减小对原始风场的影响。同时，为
使测量精度更佳，换能器围成的风场空间要尽可能小，这样这个区域就可以近似成一个均匀
风场。本课题通过查阅相关的文献[[7][19][30-33]后，选用了振动频率为200kHz左右的兼具发射
与接收功能的NLJ200E 12TR-1型超声换能器，表2.1是这个超声波换能器的主要参数，两个
正对的收发探头之间的间距被设置成12cm左右。

1万 · 2019-6-27 16:02

1万 · 2019-6-27 16:02

超声波测风的理论基础是:接收探头接收到的超声波中，包含着流体的信息。根据不同
的设置方法[[34J，在超声波测量风速风向的方法中使用的主要是涡街法、相关法、时差法、相
位差法和多普勒法。