基于超聲測速技術(shù)的數(shù)字大氣環(huán)境因素測量儀
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4．2 風速、風向計算
計算風速、風向值，是通過測量順、逆風傳播時間(t12、t21、t34、t43)，進行比較并做出相關(guān)計算得出最終結(jié)果。超聲波發(fā)射時，超聲波收發(fā)控制IP模塊給計數(shù)器發(fā)送一個開始信號，計數(shù)器接收后開始計時，以8 MHz內(nèi)部時鐘為計時采樣周期，以確保計時精度；接收到返回脈沖的同時給出一個信號，計數(shù)器接收到信號即停止計數(shù)，計數(shù)器在這段時間內(nèi)的計時即為超聲波傳播時間。
本設計有相互垂直放置的兩對超聲波探頭，隨著風速、風向的變化，t12、t21和t34、t43都會有相應的變化，若直接按公式計算，則會出現(xiàn)負值，因此需要取VWX、VWY絕對值或比較后進行相關(guān)處理再進行計算。風向設定正東方向為0°，角度按逆時針方向增大。流程圖如圖10所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/194584.htm
(1)當t12=t21、t34=t43時，為無風狀態(tài)。此時，VWX=0、WY=0，θw=θ=0。
(2)當t12t21、t34t43時，風速直接由公式計算得出，風向在如圖3所示中的第I象限，風向值由式(2)～式(7)計算所得θ值，即θw=θ。
(3)當t12>t21、t34t43時，將t12、t21值互換再進行計算，再求VWX、VWY兩個的矢量合成而求得實際風速值，此時風向在如圖3所示的第Ⅱ象限，風向值θw=180°-θ。
(4)當t12>t21、t34>t43時，將t12、t21值互換并將t34、t43值互換再進行計算，此時風向在如圖3所示的第Ⅲ象限，風向值θw=180°+θ。
(5)當t12t21、t34>t43時，將t34、t43值互換后在進行計算，此時風向在如圖3所示的第Ⅳ象限，風向值θw=360°-θ。
5 系統(tǒng)測試
把作品放置在開闊有風的地方，通電后將自動開啟，終端節(jié)點會間斷性地測量超聲波逆風和順風傳播時間等物理量，實時傳輸給MSP4 30，通過單片機運算出實時風速、風向；將其送到顯示模塊，數(shù)碼管上將顯示出當前的風速風向；再通過ZigBee實時無線傳輸至監(jiān)控機上，形成實時監(jiān)控。實測數(shù)據(jù)如表2所示。
作品在室外進行了數(shù)據(jù)采集，使用手持式風速儀作為對比，進行了實地測量。通過對-5℃、10℃、20℃不同溫度下的風速測量結(jié)果分析。通過對大量數(shù)據(jù)的分析，得出本裝置測量精準，而且根據(jù)其原理可推斷出風速越大，測量越準確，在風速大的情況下測量精準度將遠高于機械式風速儀。
6 結(jié)束語
采用8 MHz晶振的MSP430單片機，使得測量時間更加精準；然后采用以脈沖發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射接收模塊；最后硬件材質(zhì)使用了有機玻璃，有效減少了環(huán)境干擾。采用低功耗、低價格的MSP430，因為其已經(jīng)把射頻、微處理器、定時器、時鐘模塊、DMA控制等功能集成到一個芯片上，而且外圍電路很少。而且在無線傳輸中ZigBee也有低成本的特點。經(jīng)過測量，設備有效傳輸距離>50 m，在此基礎(chǔ)上，給節(jié)點的發(fā)射模塊加入了TI公司CC2590放大器，可以把傳輸距離擴展到1000m以上的距離，而發(fā)射功耗只有-20b／mW。
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