基于超声测速技术的数字大气环境因素测量仪
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。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/194584.htm
(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。
评论