本實用新型涉及超聲波測風技術領域，特別是一種北斗定位超聲波測風儀。

背景技術：

超聲波測風是氣象測量中一種十分重要的測風方法，其中穩(wěn)定和準確性是超聲波測風的關鍵。

在當今社會，測風的準確性對于人們的出行活動以及生產(chǎn)生活有較大的影響，例如在民航運輸和海洋航行中，風對飛機的起落和船的航行影響很大。風的測量有多種，常見的有機械式風輪測量法和超聲測量法。機械式測量容易磨損，而且需要經(jīng)常維護，最重要的是對風向不敏感，只適應于測定較大的風速，精度低，測風條件惡劣時極易損壞，給維護帶來不便。而超聲波測量方法的傳感器無活動部件，并且抗污染和腐蝕。能在惡劣的風力和氣候條件下精確測定并提供可靠的數(shù)據(jù)，而無需定期維護。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術問題為：提供一種北斗定位超聲波測風儀，其能夠同時滿足測風與定位的需求，且測風精度高，能夠適應惡劣的氣象環(huán)境。

本實用新型采取的技術方案具體為：一種的北斗定位超聲波測風儀，包括微處理器，超聲波測風模塊、北斗定位模塊和顯示模塊；

超聲波測風模塊包括依次連接的超聲波驅(qū)動電路、超聲波傳感器和信號處理電路；超聲波傳感器包括由兩對超聲波探頭分別組成的兩路超聲波傳感通道，每對超聲波探頭相對設置，且每對超聲波探頭所在直線與另一對超聲波探頭所在直線相交；信號處理電路包括信號采集電路、濾波電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩存器；

微處理器控制超聲波驅(qū)動電路向超聲波傳感器輸出驅(qū)動信號，超聲波傳感器接收上述驅(qū)動信號并輸出超聲波模擬信號至信號處理電路，信號處理電路對接收到的超聲波模擬信號進行處理后，輸出至AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成超聲波數(shù)字信號，進而傳輸至數(shù)據(jù)緩存器；數(shù)據(jù)緩存器的輸出端連接微處理器；

北斗定位模塊的輸出端和顯示模塊的輸入端分別連接微處理器。

本實用新型超聲波測風部分依據(jù)的原理為：超聲波傳播速度與介質(zhì)密度有關，風速由氣壓變化引起，因而引起空氣密度變化，同時風向?qū)Τ暡▊鞑ヂ窂揭灿幸欢ㄓ绊?，進而影響超聲波傳播速度。超聲波驅(qū)動電路、超聲波傳感器、北斗定位模塊皆為現(xiàn)有產(chǎn)品，信號處理電路中各功能電路均可采用現(xiàn)有功能電路模塊或參考現(xiàn)有電路技術。

本實用新型在應用時，兩對不同方向設置的超聲波傳感探頭可分別用于實現(xiàn)對所在方向的風速和風速分量進行測量，根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)，利用二維合成原理即可得到實時的風速值和風向值。同時，本實用新型的北斗定位模塊可獲得當前位置信號，超聲波測風模塊可獲得實時風速風向等數(shù)據(jù)，且顯示模塊可實時顯示當前位置信號和與風相關的數(shù)據(jù)，滿足相當多種場合同時需要的定位和測風的需求。

此外，由于氣溫、空氣濕度等引起空氣密度變化的因素也會影響超聲波傳播速度，因此，本實用新型還包括溫濕度采集模塊，溫濕度采集模塊采集溫度和濕度信號傳輸至微處理器。微處理器可根據(jù)當前溫度和濕度數(shù)據(jù)，對風力、風速等風的相關數(shù)據(jù)進行溫濕度補償，測風數(shù)據(jù)的溫濕度補償為現(xiàn)有技術。

優(yōu)選的，本實用新型超聲波測風模塊中，構成兩路超聲波傳感通道的兩對超聲波探頭所在直線相互垂直。

優(yōu)選的，每一路超聲波傳感通道的超聲波探頭對分別采用收發(fā)一體式超聲波傳感器實現(xiàn)。如型號為DYA-125-02A的超聲波傳感器，其具有可控制超聲波方向的驅(qū)動控制端和信號輸出端，只需改變輸入至其驅(qū)動控制端的驅(qū)動信號，即可改變其超聲波發(fā)射-接收的方向。

基于上述超聲波傳感器的選擇，本實用新型的超聲測風模塊中，超聲波驅(qū)動電路包括正向驅(qū)動電路、反向驅(qū)動電路和驅(qū)動方向選擇開關；所述正向驅(qū)動電路和反向驅(qū)動電路通過驅(qū)動方向選擇開關連接超聲波傳感器的驅(qū)動控制端；微處理器控制驅(qū)動方向選擇開關的選擇切換，以使得超聲波傳感器接收到的驅(qū)動信號在正向驅(qū)動信號和反相驅(qū)動信號之間切換。驅(qū)動方向選擇開關可采用現(xiàn)有電子開關，微處理器對電子開關的控制為現(xiàn)有技術。能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波傳感器正向驅(qū)動和反向驅(qū)動的正向驅(qū)動電路和反向驅(qū)動電路可采用現(xiàn)有電路。

更進一步的，本實用新型中，各超聲波傳感器的輸出端分別連接一個信號處理電路。兩路超聲波傳感通道采集到的超聲波模擬信號分別進行信號的采集、放大和濾波，然后傳輸至微處理器。

優(yōu)選的，本實用新型所述數(shù)據(jù)緩存器采用FIFO數(shù)據(jù)緩存器，其先入先出的機制可很好的適應本實用新型對采集數(shù)據(jù)的實時性要求。

優(yōu)選的，本實用新型中，微處理器采用C51單片機；顯示模塊采用12864液晶顯示屏；北斗定位模塊包括BD228北斗模塊和其上連接的BG625接收天線。

有益效果

本實用新型采用超聲波測風模塊測量出當前的風速風向等數(shù)據(jù)，采用北斗定位模塊采集定位數(shù)據(jù)，能夠滿足多種場合同時需要的定位和測風的需求。具體的，本實用新型通過C51單片機實施控制，然后將結(jié)果數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，可方便用戶更直觀獲知相關信息。本實用新型的測風儀可以實現(xiàn)精確的測量和交底的成本投入，能夠適應惡劣的氣象環(huán)境，在氣象測量領域有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1所示為本實用新型原理結(jié)構示意框圖；

圖2所示為本實用新型一種具體實施例的原理結(jié)構示意框圖；

圖3所示為超聲波驅(qū)動電路結(jié)構示意圖；

圖4所示為信號采集電路及部分信號處理電路結(jié)構示意圖；

圖5所示為超聲波傳感器測量原理示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例進一步描述。

參考圖1所示，本實用新型的北斗定位超聲波測風儀，包括微處理器，超聲波測風模塊、北斗定位模塊和顯示模塊；

超聲波測風模塊包括依次連接的超聲波驅(qū)動電路、超聲波傳感器和信號處理電路；超聲波傳感器包括由兩對超聲波探頭分別組成的兩路超聲波傳感通道，每對超聲波探頭相對設置，且每對超聲波探頭所在直線與另一對超聲波探頭所在直線相交；信號處理電路包括信號采集電路、濾波電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩存器；

微處理器控制超聲波驅(qū)動電路向超聲波傳感器輸出驅(qū)動信號，超聲波傳感器接收上述驅(qū)動信號并輸出超聲波模擬信號至信號處理電路，信號處理電路對接收到的超聲波模擬信號進行處理后，輸出至AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成超聲波數(shù)字信號，進而傳輸至數(shù)據(jù)緩存器；數(shù)據(jù)緩存器的輸出端連接微處理器；

北斗定位模塊的輸出端和顯示模塊的輸入端分別連接微處理器。

超聲波驅(qū)動電路、超聲波傳感器、北斗定位模塊皆可采用現(xiàn)有產(chǎn)品，信號處理電路中各功能電路均可采用現(xiàn)有功能電路模塊或參考現(xiàn)有電路技術。在應用時，北斗定位模塊可獲得當前位置信號，超聲波測風模塊可獲得實時風速風向等數(shù)據(jù)，且顯示模塊可實時顯示當前位置信號和與風相關的數(shù)據(jù)，滿足相當多種場合同時需要的定位和測風的需求。

實施例

由于氣溫、空氣濕度等引起空氣密度變化的因素也會影響超聲波傳播速度，因此，本實用新型還包括溫濕度采集模塊，溫濕度采集模塊采集溫度和濕度信號傳輸至微處理器。微處理器可根據(jù)當前溫度和濕度數(shù)據(jù)，對風力、風速等風的相關數(shù)據(jù)進行溫濕度補償，測風數(shù)據(jù)的溫濕度補償為現(xiàn)有技術。

本實施例中數(shù)據(jù)緩存器采用FIFO數(shù)據(jù)緩存器，其先入先出的機制可很好的適應本實用新型對采集數(shù)據(jù)的實時性要求。微處理器采用C51單片機；顯示模塊采用12864液晶顯示屏；北斗定位模塊包括BD228北斗模塊和其上連接的BG625接收天線。

參考圖5所示，AB為一對超聲波探頭，CD為一對超聲波探頭，分別對應其所在方向上的風數(shù)據(jù)測量。本實施例中，構成兩路超聲波傳感通道的兩對超聲波探頭所在直線相互垂直。優(yōu)選的，每一路超聲波傳感通道的超聲波探頭對分別采用收發(fā)一體式超聲波傳感器實現(xiàn)，如型號為DYA-125-02A的超聲波傳感器，其具有可控制超聲波方向的驅(qū)動控制端和信號輸出端，只需改變輸入至其驅(qū)動控制端的驅(qū)動信號，即可改變其超聲波發(fā)射-接收的方向。

基于上述超聲波傳感器的選擇，本實施例的超聲測風模塊中，參考圖2所示，超聲波驅(qū)動電路包括正向驅(qū)動電路、反向驅(qū)動電路和驅(qū)動方向選擇開關；正向驅(qū)動電路和反相驅(qū)動電路分別通過非門U1A接收微處理器發(fā)出的脈沖信號；正向驅(qū)動電路由U1E和U1F組成，反向驅(qū)動電路包括U1B、C1、R1、U1C、C2、R2、U1D，兩個驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號可分別控制超聲波傳感探頭處于發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài)，對應正向工作或反向工作。

所述正向驅(qū)動電路和反向驅(qū)動電路通過驅(qū)動方向選擇開關連接超聲波傳感器的驅(qū)動控制端；微處理器控制驅(qū)動方向選擇開關的選擇切換，以使得超聲波傳感器接收到的驅(qū)動信號在正向驅(qū)動信號和反相驅(qū)動信號之間切換。驅(qū)動方向選擇開關可采用現(xiàn)有電子開關，微處理器對電子開關的控制為現(xiàn)有技術。能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波傳感器正向驅(qū)動和反向驅(qū)動的正向驅(qū)動電路和反向驅(qū)動電路可采用現(xiàn)有電路。

參考圖2所示，本實施例中各超聲波傳感器的輸出端分別連接一個信號處理電路。兩路超聲波傳感通道采集到的超聲波模擬信號分別進行信號的采集、放大和濾波，然后傳輸至微處理器。參考圖4所示，超聲波傳感器輸出的超聲波模擬信號由Receive節(jié)點進入信號采集電路，然后進行放大和濾波，之后再進行AD轉(zhuǎn)換和緩存(未示出)。

本實用新型的工作原理為：微處理器產(chǎn)生標準的方波信號，經(jīng)過超聲波驅(qū)動電路輸出用于驅(qū)動超聲波傳感器的正向驅(qū)動信號或反向驅(qū)動信號，然后經(jīng)過驅(qū)動方向選擇開關的切換控制兩路傳感通道的傳感器超聲波發(fā)射-接收的方向。參考圖5所示，以探頭對AB為例，若選擇正向驅(qū)動，則超聲波收發(fā)方向為A→B，若選擇反向驅(qū)動，則超聲波收發(fā)方向為A←B，由此可分別測得兩相反方向上超聲波傳播的時間及時間差，進而可計算出該方向上的風速分量。分別對AB方向和CD方向上的風速數(shù)據(jù)進行測量，測得的風矢量就是在兩個方向上的風速的分量值，然后根據(jù)二維合成的原理就可以得到該時的風速值和風向。

以超聲波傳感探頭對CD為例進行說明，假設有氣流速度為的2個分量為即假設風速沿x正方向的分量為正方向，兩個探頭之間的距離為L，c為超聲波聲速，t₁，t₂分別為超聲波收發(fā)方向為D→C和C→D所用的時間；則

則

同理可測得v_y，進而可得到氣流速度大小為方向為

同時微處理器接收北斗導航模塊定位信息，并讀取當前時間的溫度和濕度進行風速補償計算，得到更為準確的風速風向值。關于風速的溫度和濕度補償為現(xiàn)有技術。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。