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基于超声波的风速风向测量研究

陆健  
【摘要】:风是由空气流动引起的一种自然现象,是极其重要的气象要素。传统的风速风向测量通常采用风杯式风速仪,由于存在机械磨损、精度低、寿命短等缺点,近年来逐渐被超声波风速仪所取代,超声波风速仪具有反应快、分辨率高、寿命长等特点,其在气象观测、风力发电、新能源等领域有着广泛的应用需求。论文分析了超声波测风的工作原理,设计了一种超声波风速风向测量系统,并在硬件基础上,对系统进行了小型化研究和设计。为了保证系统的测量精度等能够满足应用需求,研究并建立时差法测量的数学模型确定了换能器测量阵列结构。在理论基础上,确定采用CPLD EPM240T100来实现高频计时器设计、提高系统响应速度和硬件集成度,同时选用32位ARM LPC1768完成对数据处理及外围通信等功能,系统采用主-从控制结构,实现基于ARM和CPLD的超声波风速风向测量系统。硬件电路设计为了降低干扰及减小体积,将模拟与数字电路分开设计。模拟电路主要包括:ARM主控制系统、CPLD协处理系统、超声波驱动电路、信号接收处理电路、温度采集及加热电路、串口通信接口等模块。数字电路部分由CPLD内部设计集成,极大简化了硬件电路设计且有助于系统升级,其包括超声波驱动信号发生器、高精度计时器、信号接收及通信模块。系统软件设计采用Keil uVision4和Quartus Ⅱ 8.1实现ARM和CPLD控制程序设计,上位机软件采用C++进行MFC设计,通过系统提供的模拟/数字通信接口,可实现风速风向的上位机处理、显示和存储等。同时,为增强系统测量的稳定可靠性,采用软件算法实现补偿,下位机ARM采用标量平均值数字滤波算法对数据进行一次处理,上位机采用改进型53H算法对数据进行二次滤波处理,降低可能来自干扰、传输等引起的随机误差。研究设计及实验测试结果表明:基于ARM和CPLD设计的超声波风速仪在缩小整机尺寸的情况下,系统在数据处理的速度、精度和稳定性上均可达到工程应用要求,且成本低,结构简单,在风速风向测量应用中具有一定的应用前景和参考价值。


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