﻿ 基于STM32F103ZET6的二维超声波风速测量系统设计 Design of Two-Dimensional Ultrasonic Wind Speed Measurement System Based on STM32F103ZET6

Journal of Electrical Engineering
Vol. 06  No. 04 ( 2018 ), Article ID: 27564 , 8 pages
10.12677/JEE.2018.64033

Design of Two-Dimensional Ultrasonic Wind Speed Measurement System Based on STM32F103ZET6

Weidong Wang

School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University, Tianjin

Received: Oct. 26th, 2018; accepted: Nov. 8th, 2018; published: Nov. 15th, 2018

ABSTRACT

The accuracy of wind speed measurement is important for the observation of the ocean-atmosphere interface. This paper briefly describes the advantages of the time difference ultrasonic wind speed measurement method, and based on the two-dimensional V-structure ultrasonic measurement principle of time difference method, a two-dimensional ultrasonic wind speed measurement system based on STM32F103ZET6 is built. Compared with traditional wind measurement systems, the design introduces the Hilbert Huang Transform algorithm to process the measurement data, which can ensure the accuracy of the wind speed measurement. The experimental results show that the design has strong adaptability and can achieve high precision wind speed measurement. It has high reference value and practical significance in the observation of complex meteorological environment such as air-sea interface.

Keywords:Air Sea Interface, Ultrasonic Wave, Time Difference Method, STM32F103ZET6, Hilbert Huang Transform

1. 引言

2. 时间差测风方法

Figure 1. V-type measurement schematic

$\frac{2L}{{t}_{1}}=c+v\mathrm{sin}\theta$ (1)

$\frac{2L}{{t}_{2}}=c-v\mathrm{sin}\theta$ (2)

$v=\frac{L}{\mathrm{sin}\theta }\left(\frac{1}{{t}_{1}}-\frac{1}{{t}_{2}}\right)$ (3)

Figure 2. Wind speed vector

${v}_{x}=\frac{L}{\mathrm{sin}\theta }\left(\frac{1}{{t}_{12}}-\frac{1}{{t}_{21}}\right)$ (4)

${v}_{y}=\frac{L}{\mathrm{sin}\theta }\left(\frac{1}{{t}_{34}}-\frac{1}{{t}_{43}}\right)$ (5)

$v=\frac{L}{\mathrm{sin}\theta }\sqrt{{\left(\frac{1}{{t}_{34}}-\frac{1}{{t}_{43}}\right)}^{2}+{\left(\frac{1}{{t}_{12}}-\frac{1}{{t}_{21}}\right)}^{2}}$ (6)

3. 系统方案设计

3.1. 整体方案设计

Figure 3. System overall composition

3.2. 硬件设计

3.2.1. 超声波发射驱动模块

Figure 4. Typical PWM waveform of the actual circuit

3.2.2. 超声波接收模块

LC选频电路如图5所示：左侧是一个74HC238D译码器，而右侧是发射、接收电路。1、2和3分别是由STM32F103ZET6控制的地址输入；K1、K2、K3和K4作为输出端。S1、S3与收、发兼具的声波探头相连接，CH1和CH3为收到的信号 [10] 。E1、E2、E3是译码器的势能点，连接控制器I/O口PB3与PB4。由S3侧的探头接收，测得CH3的回波信号数据并保存 [11] 。

3.2.3. 信号采集保存

3.3. HHT算法简介

Figure 6. HHT flow chart

1) 基于原始信号 $x\left(t\right)$ ，通过三次样条插值法处理极大值和极小值点，得到上、下包络线的平均值为：

${r}_{1}\left(t\right)=\frac{1}{2}\left({\alpha }_{1}\left(t\right)+{\alpha }_{2}\left(t\right)\right)$ (7)

2) 计算原始信号 $x\left(t\right)$ 与平均值 ${r}_{1}\left(t\right)$ 的差值：

${\theta }_{1}\left(t\right)=x\left(t\right)-{r}_{1}\left(t\right)$ (8)

3) 如果满足IMF条件，那么分解停止；如果不满足IMF条件，那么将上述步骤重复直到满足条件，令剩余分量为 ${r}_{1}\left(t\right)$

(9)

4) 用剩余分量作为新的信号反复以上的步骤，分离出来所有的IMF分量与剩余分量的关系如下：

$\left\{\begin{array}{l}{r}_{1}-{c}_{2}={r}_{2}\\ M\\ {r}_{n-1}-{c}_{n}={r}_{n}\end{array}$ (10)

4. 实验结果与分析

Figure 7. System test physical chart

4.1. 实验结论

1) 在低风速情况下，采用时差法超声波测风原理能够分别测量出超声波换能器接收到的顺风和逆风时的超声波回波信号，从而测量出风速值；

2) 基于一定数量的试验，运用HHT算法进行数据处理，验证了本文设计的具有较高精确度和稳定性。已知空气中的波速340 m/s，本设计里两对换能器之间传输声程均是140 mm，可得传播时间间隔为0.41 ms [10] ；相比较而言，STM32F的最高时钟为72 MHz，可知时间精确度最高可达14 ns。

Figure 8. Downwind wave receiving signal waveform

Figure 9. Upwind direction ultrasonic receiving signal waveform

4.2. 误差的原因分析

1) 受电路板面积的影响，实时的温度补偿电路并没有添加，而是将测得的外部环境温度写入程序中，从而将测量误差引入系统 [12] ；

2) 用时间差法测量出的低风速值精度基本满足要求。但是在中、高风速情况下，还需要进一步的验证测试 [13] 。

5. 结束语

1) 外界温湿度也会影响风速，可以添加温湿度补偿器来增强测风仪的性能；

2) 在数据处理方面引入新的算法来提高准确性。

Design of Two-Dimensional Ultrasonic Wind Speed Measurement System Based on STM32F103ZET6[J]. 电气工程, 2018, 06(04): 283-290. https://doi.org/10.12677/JEE.2018.64033

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