基于超声测速技术的数字大气环境因素测量仪

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t12t21、t34t43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、t34t43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t12t21、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。