基于超声测速技术的数字大气环境因素测量仪

摘要 传统的机械式风速测量仪受到诸多因素的影响和限制，已无法满足现今测量领域的指标。而使用超声波作为测量手段可以有效地提高测量精度、减少测量误差、降低功耗。系统采用MSP430作为处理核心，利用超声波的特性，使用超声波传感器，实现对空气中风速的测量，并利用无线通信ZigBee技术实现通信交互。通过分析得出文中装置测量精准、出风速度越大，测量越准确。
关键词 风速测量；MSP430；超声波传感器；ZigBee

    风速是重要的环境因素，对风速的测量意义重大。风速的测量，传统方法是机械扇叶式的换能测量，这种方法因为受到机械摩擦和由于摩擦造成的温度零飘等因素的影响，测量精度不能满足现在测量系统的要求。
    超声波是一种可在多种介质中稳定传播的机械波，频率在10 kHz～1 MHz之间，由于是机械波，故波速取决于传播介质，可以在同一种介质中视为匀速传播。如今对于超声波的利用已经成熟，特别是超声测距的技术，如潜艇声纳系统、医用B超、工业超声测厚等。针对这项技术，稍加改进便可以用于测量空气中风速，甚至密度均匀的流体速度。并且拥有反应速度快、测量精度高、分辨率高等特点。超声波测量风速将成为今后的主流。

1 MSP430数字大气环境因素测量仪
    风速测量原理：
    (1)时差法测量风速。
    超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在速度差，当传播固定的距离时，利用时间差就可以得到速度差。
    使用一组发射和接收在一起的超声模块放置在一端，另一端使用同样的模块探头相反放置，形成发射对接收的格局，如图1所示。

    超声探头接收到的信号处理后得到一个时间值，在距离为d时探头1和探头2分别得到超声波在空气中顺风传递时间t12和逆风传递时间t21；待测风速为VW，超声波在空气中的速度为Vs。于是得
   
   
    由此可得到一个方向上的风速值，所得风速与超声波没有直接关系，所以受到超声波衰减的影响较小。
    (2)二维风速测量。
    实际中需要测量的风速是一个矢量值，具有大小和方向信息，若只使用一组相对模块，则无法满足要求，于是在两个垂直方向上各放置一组模块，如图2所示。

    这样就可以得到两组时间数据，t12，t21和t34，t43。设t12和t21为东西方向传播时间，t34和t43为南北方向传播时间；VWX为风速的东西方向分量，VWY为风速的南北方向分量，超声波的速度为Vs。则可以利用获得的时间量准确地求出风速的大小和方向，具体计算过程如下
   
                
    VW和cosθ即为所求量。
    (3)二维风速测量方案改进。
    由于使用的超声波传感器探头中心频率为40～50 kHz，超声波的频率较低导致其波长约为0．5～1 cm，系统单次发射的超声波约为10～20个周期的脉冲，为防止两次发射和接收之间出现超声波叠加，所以相对探头之间的距离较大，增加了测速的环境误差，也影响美观。这里为改善这些问题，使用一个反射系数大的反射板放置于超声探头顶端，使发射的超声波经过反射传播给接收探头，减少水平距离。具体方案如图4所示。

    在计算时加入发射偏角即可，不会增加运算难度。
    (4)测速误差分析。
    发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt／2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v受温度影响较大，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

2 系统总体设计方案
    系统整体分为：超声波发射接收模块、含有MSP430单片机的中央处理模块、实时显示模块、无线发射等模块。

3 系统硬件设计
3．1 MSP430的特点及所利用的功能
    设计选用MSP430F169这款超低功耗单片机，并且选择外部8 MHz晶振作为系统时钟和定时器时钟，精度可达0．125μs。所以时间测量精度高。MSP430F169的芯片引脚如图6所示。

3．2 超声波发射与接收模块的硬件设计
3．2．1 超声波发射电路
    超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，发射控制端口输出的40 kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力；另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。超声波发射电路原理如图7所示。

    压电式超声波换能器利用压电晶体的谐振工作。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号。
3．2．2 超声波接收模块
    CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图8所示。实验证明用CX20106A接收超声波，具有良好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

3．3 ZigBee无线传输模块
    无线发射模块选用TI公司CC2430芯片，为核心的构建了一个无线智能系统。该系统由协调器与众多终端节点组成，系统可对各监测点的风速和风向进行自动检测，同时将测量结果实时传输给协调器，协调器可根据设定的参量来控制终端节点和执行相应的操作。该发射系统具有低功耗、低成本、易于组网和维护等特点，这对测量山区、海洋、密林等地的风速尤为便利。

4 系统软件设计
4．1 超声波收发模块
    超声传感器模块主要完成信号的转换，发送与接收超声波信号，便于MSP430处理系统能够收集到更准确信息。超声波发送脉冲信号由MSP430产生40 kHz的脉冲信号，在发射时，可采取每次连续发送10个周期的脉冲信号。接收到超声波收发控制发送的信号后，给发射探头发送超声波脉冲，接收到超声波返回信号第一个返回波，给计时器一个结束信号，计时器结束计时，计时器包括t12、t21，t34、t43 4个计时器。

4．2 风速、风向计算
    计算风速、风向值，是通过测量顺、逆风传播时间(t12、t21、t34、t43)，进行比较并做出相关计算得出最终结果。超声波发射时，超声波收发控制IP模块给计数器发送一个开始信号，计数器接收后开始计时，以8 MHz内部时钟为计时采样周期，以确保计时精度；接收到返回脉冲的同时给出一个信号，计数器接收到信号即停止计数，计数器在这段时间内的计时即为超声波传播时间。
    本设计有相互垂直放置的两对超声波探头，随着风速、风向的变化，t12、t21和t34、t43都会有相应的变化，若直接按公式计算，则会出现负值，因此需要取VWX、VWY绝对值或比较后进行相关处理再进行计算。风向设定正东方向为0°，角度按逆时针方向增大。流程图如图10所示。

    (1)当t12=t21、t34=t43时，为无风状态。此时，VWX=0、WY=0，θw=θ=0。
    (2)当t12<t21、t34<t43时，风速直接由公式计算得出，风向在如图3所示中的第I象限，风向值由式(2)～式(7)计算所得θ值，即θw=θ。
    (3)当t12>t21、t34<t43时，将t12、t21值互换再进行计算，再求VWX、VWY两个的矢量合成而求得实际风速值，此时风向在如图3所示的第Ⅱ象限，风向值θw=180°-θ。
    (4)当t12>t21、t34>t43时，将t12、t21值互换并将t34、t43值互换再进行计算，此时风向在如图3所示的第Ⅲ象限，风向值θw=180°+θ。
    (5)当t12<t21、t34>t43时，将t34、t43值互换后在进行计算，此时风向在如图3所示的第Ⅳ象限，风向值θw=360°-θ。

5 系统测试
    把作品放置在开阔有风的地方，通电后将自动开启，终端节点会间断性地测量超声波逆风和顺风传播时间等物理量，实时传输给MSP4 30，通过单片机运算出实时风速、风向；将其送到显示模块，数码管上将显示出当前的风速风向；再通过ZigBee实时无线传输至监控机上，形成实时监控。实测数据如表2所示。

    作品在室外进行了数据采集，使用手持式风速仪作为对比，进行了实地测量。通过对-5℃、10℃、20℃不同温度下的风速测量结果分析。通过对大量数据的分析，得出本装置测量精准，而且根据其原理可推断出风速越大，测量越准确，在风速大的情况下测量精准度将远高于机械式风速仪。

6 结束语
    采用8 MHz晶振的MSP430单片机，使得测量时间更加精准；然后采用以脉冲发射超声波的超声波发射接收模块；最后硬件材质使用了有机玻璃，有效减少了环境干扰。采用低功耗、低价格的MSP430，因为其已经把射频、微处理器、定时器、时钟模块、DMA控制等功能集成到一个芯片上，而且外围电路很少。而且在无线传输中ZigBee也有低成本的特点。经过测量，设备有效传输距离>50 m，在此基础上，给节点的发射模块加入了TI公司CC2590放大器，可以把传输距离扩展到1000m以上的距离，而发射功耗只有-20b／mW。