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

摘要 傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速測(cè)量?jī)x受到諸多因素的影響和限制，已無法滿足現(xiàn)今測(cè)量領(lǐng)域的指標(biāo)。而使用超聲波作為測(cè)量手段可以有效地提高測(cè)量精度、減少測(cè)量誤差、降低功耗。系統(tǒng)采用MSP430作為處理核心，利用超聲波的特性，使用超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中風(fēng)速的測(cè)量，并利用無線通信ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信交互。通過分析得出文中裝置測(cè)量精準(zhǔn)、出風(fēng)速度越大，測(cè)量越準(zhǔn)確。
關(guān)鍵詞 風(fēng)速測(cè)量；MSP430；超聲波傳感器；ZigBee

    風(fēng)速是重要的環(huán)境因素，對(duì)風(fēng)速的測(cè)量意義重大。風(fēng)速的測(cè)量，傳統(tǒng)方法是機(jī)械扇葉式的換能測(cè)量，這種方法因?yàn)槭艿綑C(jī)械摩擦和由于摩擦造成的溫度零飄等因素的影響，測(cè)量精度不能滿足現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)的要求。
    超聲波是一種可在多種介質(zhì)中穩(wěn)定傳播的機(jī)械波，頻率在10 kHz～1 MHz之間，由于是機(jī)械波，故波速取決于傳播介質(zhì)，可以在同一種介質(zhì)中視為勻速傳播。如今對(duì)于超聲波的利用已經(jīng)成熟，特別是超聲測(cè)距的技術(shù)，如潛艇聲納系統(tǒng)、醫(yī)用B超、工業(yè)超聲測(cè)厚等。針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)，稍加改進(jìn)便可以用于測(cè)量空氣中風(fēng)速，甚至密度均勻的流體速度。并且擁有反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、分辨率高等特點(diǎn)。超聲波測(cè)量風(fēng)速將成為今后的主流。

1 MSP430數(shù)字大氣環(huán)境因素測(cè)量?jī)x
    風(fēng)速測(cè)量原理：
    (1)時(shí)差法測(cè)量風(fēng)速。
    超聲波在空氣中傳播時(shí)，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播存在速度差，當(dāng)傳播固定的距離時(shí)，利用時(shí)間差就可以得到速度差。
    使用一組發(fā)射和接收在一起的超聲模塊放置在一端，另一端使用同樣的模塊探頭相反放置，形成發(fā)射對(duì)接收的格局，如圖1所示。

    超聲探頭接收到的信號(hào)處理后得到一個(gè)時(shí)間值，在距離為d時(shí)探頭1和探頭2分別得到超聲波在空氣中順風(fēng)傳遞時(shí)間t12和逆風(fēng)傳遞時(shí)間t21；待測(cè)風(fēng)速為VW，超聲波在空氣中的速度為Vs。于是得
   
   
    由此可得到一個(gè)方向上的風(fēng)速值，所得風(fēng)速與超聲波沒有直接關(guān)系，所以受到超聲波衰減的影響較小。
    (2)二維風(fēng)速測(cè)量。
    實(shí)際中需要測(cè)量的風(fēng)速是一個(gè)矢量值，具有大小和方向信息，若只使用一組相對(duì)模塊，則無法滿足要求，于是在兩個(gè)垂直方向上各放置一組模塊，如圖2所示。

    這樣就可以得到兩組時(shí)間數(shù)據(jù)，t12，t21和t34，t43。設(shè)t12和t21為東西方向傳播時(shí)間，t34和t43為南北方向傳播時(shí)間；VWX為風(fēng)速的東西方向分量，VWY為風(fēng)速的南北方向分量，超聲波的速度為Vs。則可以利用獲得的時(shí)間量準(zhǔn)確地求出風(fēng)速的大小和方向，具體計(jì)算過程如下
   
                
    VW和cosθ即為所求量。
    (3)二維風(fēng)速測(cè)量方案改進(jìn)。
    由于使用的超聲波傳感器探頭中心頻率為40～50 kHz，超聲波的頻率較低導(dǎo)致其波長約為0．5～1 cm，系統(tǒng)單次發(fā)射的超聲波約為10～20個(gè)周期的脈沖，為防止兩次發(fā)射和接收之間出現(xiàn)超聲波疊加，所以相對(duì)探頭之間的距離較大，增加了測(cè)速的環(huán)境誤差，也影響美觀。這里為改善這些問題，使用一個(gè)反射系數(shù)大的反射板放置于超聲探頭頂端，使發(fā)射的超聲波經(jīng)過反射傳播給接收探頭，減少水平距離。具體方案如圖4所示。

    在計(jì)算時(shí)加入發(fā)射偏角即可，不會(huì)增加運(yùn)算難度。
    (4)測(cè)速誤差分析。
    發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=vt／2即可算出被測(cè)物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v受溫度影響較大，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)整體分為：超聲波發(fā)射接收模塊、含有MSP430單片機(jī)的中央處理模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊、無線發(fā)射等模塊。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 MSP430的特點(diǎn)及所利用的功能
    設(shè)計(jì)選用MSP430F169這款超低功耗單片機(jī)，并且選擇外部8 MHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)器時(shí)鐘，精度可達(dá)0．125μs。所以時(shí)間測(cè)量精度高。MSP430F169的芯片引腳如圖6所示。

3．2 超聲波發(fā)射與接收模塊的硬件設(shè)計(jì)
3．2．1 超聲波發(fā)射電路
    超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，發(fā)射控制端口輸出的40 kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。超聲波發(fā)射電路原理如圖7所示。

    壓電式超聲波換能器利用壓電晶體的諧振工作。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
3．2．2 超聲波接收模塊
    CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波，具有良好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

3．3 ZigBee無線傳輸模塊
    無線發(fā)射模塊選用TI公司CC2430芯片，為核心的構(gòu)建了一個(gè)無線智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器與眾多終端節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器可根據(jù)設(shè)定的參量來控制終端節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行相應(yīng)的操作。該發(fā)射系統(tǒng)具有低功耗、低成本、易于組網(wǎng)和維護(hù)等特點(diǎn)，這對(duì)測(cè)量山區(qū)、海洋、密林等地的風(fēng)速尤為便利。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 超聲波收發(fā)模塊
    超聲傳感器模塊主要完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，發(fā)送與接收超聲波信號(hào)，便于MSP430處理系統(tǒng)能夠收集到更準(zhǔn)確信息。超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由MSP430產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào)，在發(fā)射時(shí)，可采取每次連續(xù)發(fā)送10個(gè)周期的脈沖信號(hào)。接收到超聲波收發(fā)控制發(fā)送的信號(hào)后，給發(fā)射探頭發(fā)送超聲波脈沖，接收到超聲波返回信號(hào)第一個(gè)返回波，給計(jì)時(shí)器一個(gè)結(jié)束信號(hào)，計(jì)時(shí)器結(jié)束計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器包括t12、t21，t34、t43 4個(gè)計(jì)時(shí)器。

4．2 風(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算
    計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向值，是通過測(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)開始信號(hào)，計(jì)數(shù)器接收后開始計(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)針方向增大。流程圖如圖10所示。

    (1)當(dāng)t12=t21、t34=t43時(shí)，為無風(fēng)狀態(tài)。此時(shí)，VWX=0、WY=0，θw=θ=0。
    (2)當(dāng)t12<t21、t34<t43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、t34<t43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)t12<t21、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
    把作品放置在開闊有風(fēng)的地方，通電后將自動(dòng)開啟，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ZigBee實(shí)時(shí)無線傳輸至監(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。通過對(duì)-5℃、10℃、20℃不同溫度下的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果分析。通過對(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
    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。而且在無線傳輸中ZigBee也有低成本的特點(diǎn)。經(jīng)過測(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。