基于超聲測(cè)速技術(shù)的數(shù)字大氣環(huán)境因素測(cè)量?jī)x
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4．2 風(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算
計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向值，是通過(guò)測(cè)量順、逆風(fēng)傳播時(shí)間(t12、t21、t34、t43)，進(jìn)行比較并做出相關(guān)計(jì)算得出最終結(jié)果。超聲波發(fā)射時(shí)，超聲波收發(fā)控制IP模塊給計(jì)數(shù)器發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，計(jì)數(shù)器接收后開(kāi)始計(jì)時(shí)，以8 MHz內(nèi)部時(shí)鐘為計(jì)時(shí)采樣周期，以確保計(jì)時(shí)精度；接收到返回脈沖的同時(shí)給出一個(gè)信號(hào)，計(jì)數(shù)器接收到信號(hào)即停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器在這段時(shí)間內(nèi)的計(jì)時(shí)即為超聲波傳播時(shí)間。
本設(shè)計(jì)有相互垂直放置的兩對(duì)超聲波探頭，隨著風(fēng)速、風(fēng)向的變化，t12、t21和t34、t43都會(huì)有相應(yīng)的變化，若直接按公式計(jì)算，則會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，因此需要取VWX、VWY絕對(duì)值或比較后進(jìn)行相關(guān)處理再進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)向設(shè)定正東方向?yàn)?°，角度按逆時(shí)針?lè)较蛟龃?。流程圖如圖10所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/194584.htm
(1)當(dāng)t12=t21、t34=t43時(shí)，為無(wú)風(fēng)狀態(tài)。此時(shí)，VWX=0、WY=0，θw=θ=0。
(2)當(dāng)t12t21、t34t43時(shí)，風(fēng)速直接由公式計(jì)算得出，風(fēng)向在如圖3所示中的第I象限，風(fēng)向值由式(2)～式(7)計(jì)算所得θ值，即θw=θ。
(3)當(dāng)t12>t21、t34t43時(shí)，將t12、t21值互換再進(jìn)行計(jì)算，再求VWX、VWY兩個(gè)的矢量合成而求得實(shí)際風(fēng)速值，此時(shí)風(fēng)向在如圖3所示的第Ⅱ象限，風(fēng)向值θw=180°-θ。
(4)當(dāng)t12>t21、t34>t43時(shí)，將t12、t21值互換并將t34、t43值互換再進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)風(fēng)向在如圖3所示的第Ⅲ象限，風(fēng)向值θw=180°+θ。
(5)當(dāng)t12t21、t34>t43時(shí)，將t34、t43值互換后在進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)風(fēng)向在如圖3所示的第Ⅳ象限，風(fēng)向值θw=360°-θ。
5 系統(tǒng)測(cè)試
把作品放置在開(kāi)闊有風(fēng)的地方，通電后將自動(dòng)開(kāi)啟，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)間斷性地測(cè)量超聲波逆風(fēng)和順風(fēng)傳播時(shí)間等物理量，實(shí)時(shí)傳輸給MSP4 30，通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算出實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向；將其送到顯示模塊，數(shù)碼管上將顯示出當(dāng)前的風(fēng)速風(fēng)向；再通過(guò)ZigBee實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸至監(jiān)控機(jī)上，形成實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。
作品在室外進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，使用手持式風(fēng)速儀作為對(duì)比，進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。通過(guò)對(duì)-5℃、10℃、20℃不同溫度下的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，得出本裝置測(cè)量精準(zhǔn)，而且根據(jù)其原理可推斷出風(fēng)速越大，測(cè)量越準(zhǔn)確，在風(fēng)速大的情況下測(cè)量精準(zhǔn)度將遠(yuǎn)高于機(jī)械式風(fēng)速儀。
6 結(jié)束語(yǔ)
采用8 MHz晶振的MSP430單片機(jī)，使得測(cè)量時(shí)間更加精準(zhǔn)；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(jī)玻璃，有效減少了環(huán)境干擾。采用低功耗、低價(jià)格的MSP430，因?yàn)槠湟呀?jīng)把射頻、微處理器、定時(shí)器、時(shí)鐘模塊、DMA控制等功能集成到一個(gè)芯片上，而且外圍電路很少。而且在無(wú)線傳輸中ZigBee也有低成本的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)量，設(shè)備有效傳輸距離>50 m，在此基礎(chǔ)上，給節(jié)點(diǎn)的發(fā)射模塊加入了TI公司CC2590放大器，可以把傳輸距離擴(kuò)展到1000m以上的距離，而發(fā)射功耗只有-20b／mW。
評(píng)論