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基于超声测速技术的数字大气环境因素测量仪
来源:本站整理  作者:佚名  2011-12-25 08:19:59




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。

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    (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。

o.jpg


    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。

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