陳志洲劉小河田雨聰

（1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192；2.北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京 100085）

基于STM32單片機(jī)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳志洲1劉小河1田雨聰2

（1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192；2.北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京 100085）

隨著風(fēng)能大范圍的的利用，提高風(fēng)能的利用率成為研究的重點(diǎn)，而風(fēng)速風(fēng)向的準(zhǔn)確性對(duì)風(fēng)能的利用起到了關(guān)鍵性的作用。在周圍環(huán)境較惡劣的地方，超聲波測(cè)風(fēng)裝置和其他測(cè)風(fēng)方法比較，可以得到較高的測(cè)量風(fēng)能精度，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。文中詳細(xì)介紹了測(cè)風(fēng)的研究方法和超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)可以滿足工業(yè)的設(shè)計(jì)要求。

測(cè)風(fēng)裝置；超聲波傳感器；驅(qū)動(dòng)電路；STM32

傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)風(fēng)裝置一般是通過(guò)旋轉(zhuǎn)某個(gè)機(jī)械部件來(lái)測(cè)量風(fēng)的特性，由于其長(zhǎng)期進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在大風(fēng)和雨雪的惡劣自然環(huán)境中容易受到腐蝕而導(dǎo)致測(cè)量精度的降低，甚至造成損壞，且維護(hù)費(fèi)用高，同時(shí)由于存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致其有一個(gè)相對(duì)比較大的起動(dòng)下限值（起動(dòng)風(fēng)速）。超聲波測(cè)風(fēng)裝置以MCU為控制核心，搭配相應(yīng)的外圍電路，能夠可靠的測(cè)量出風(fēng)的矢量，并且體積較小，抗外界干擾強(qiáng)，具有較強(qiáng)的使用壽命，無(wú)起動(dòng)風(fēng)速［1］。本文介紹了時(shí)差法測(cè)風(fēng)的基本原理和電路設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電路、切換電路和信號(hào)處理，最終得到風(fēng)速的矢量信息。

1 超聲波測(cè)風(fēng)方法

目前國(guó)內(nèi)相對(duì)使用較多的超聲波測(cè)量風(fēng)矢量的方法有:渦街法、多普勒法和時(shí)差法。

1.1 渦街法

渦街法是基于卡門渦街原理，即在流動(dòng)的流體（空氣）中放置一根軸線與流向垂直的非流線型組流體，當(dāng)流體（空氣）沿渦街發(fā)生體繞流時(shí)，會(huì)在渦街發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對(duì)稱但有規(guī)律的交替渦列，這就是卡門渦街。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在一定的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)，渦街產(chǎn)生的頻率f與流體平均流速U之間存在一定的比例關(guān)系，即

式中，U表示流體的平均流速，m/s；Sr表示斯特勞哈爾數(shù)［2］。

測(cè)出渦街產(chǎn)生的頻率，通過(guò)式（1）可測(cè)得風(fēng)速U。但是其上限流速受到介質(zhì)可壓縮性的限制，下限流速受雷諾數(shù)和傳感器靈敏度的限制，所以其適用于管道流速的測(cè)量。

1.2 多普勒測(cè)風(fēng)法

多普勒法是利用光學(xué)多普勒原理，多普勒效應(yīng)即當(dāng)發(fā)射器和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器的接收聲頻率與發(fā)射器的產(chǎn)生頻率之差與兩者之間的相對(duì)速度成正比。當(dāng)測(cè)量時(shí)，超聲波信號(hào)的多普勒頻移為

式中，Δf表示多普勒頻移； fr表示發(fā)射信號(hào)頻率；表示接受信號(hào)頻率；θ表示入射角；C表示超聲波信號(hào)的傳播速度；V表示氣體流速。

由式（2）可知，氣體流速與超聲波的傳播速度成正比，而超聲波的傳播速度應(yīng)該考慮外界環(huán)境的影響，所以其應(yīng)用在測(cè)量風(fēng)速有一定的局限性。

1.3 時(shí)差法測(cè)風(fēng)法

時(shí)差法是根據(jù)超聲波傳感器發(fā)出的信號(hào)通過(guò)計(jì)算正向傳播時(shí)間和反向傳播時(shí)間之差來(lái)求得風(fēng)速，根據(jù)不同方向的風(fēng)速確定風(fēng)向［3-4］。本設(shè)計(jì)在東南西北四個(gè)風(fēng)向各放置一個(gè)收發(fā)一體的超聲波探頭，通過(guò)切換裝置對(duì)其進(jìn)行控制。時(shí)差測(cè)風(fēng)法的原理如圖1所示。

圖1 時(shí)差法原理圖

順風(fēng)時(shí):

逆風(fēng)時(shí):

將兩個(gè)超聲波探頭的距離固定為 L，則可以測(cè)出其在順風(fēng)方向的傳播時(shí)間為

逆風(fēng)傳播時(shí)間為

當(dāng)測(cè)得TBA與TAB時(shí)，則可以得到風(fēng)速，即

風(fēng)向:設(shè)定正東方向?yàn)檎较?，西東方向的傳播時(shí)間為t1，東西方向的傳播時(shí)間為t2，南北方向的傳播時(shí)間為t3，北南方向的傳播時(shí)間為t4，即

通過(guò)對(duì)三種測(cè)風(fēng)方法的比較，選用可靠性強(qiáng)，且測(cè)量精度高的時(shí)差法來(lái)對(duì)風(fēng)矢量進(jìn)行測(cè)量。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括核心控制器MCU、超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)電路、切換電路、接收信號(hào)處理電路、模擬量輸出電路、溫度和氣壓測(cè)量電路等，測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 STM32單片機(jī)的簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)采用的是 STM32F051R8T6單片機(jī)作為核心處理器。STM32F051R8T6采用高性能的ARM Cortex-M0的32位的RSIC內(nèi)核，工作于48MHz頻率，高速的嵌入式閃存（FLASH最大 64K字節(jié)，SRAM最大8K字節(jié)），并廣泛集成增強(qiáng)型外設(shè)和I/O口。所有器件提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口（兩個(gè)I2Cs，兩個(gè)SPI，一個(gè)I2S，一個(gè)HDMI CEC，兩個(gè)USART），一個(gè)12位ADC，一個(gè)12位DAC，最多5個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)32位定時(shí)器和一個(gè)高級(jí)控制PWM定時(shí)器。

STM32F051單片機(jī)采用3.3V電源供電。設(shè)計(jì)中采用12個(gè)I/O端口，一個(gè)SPI接口，通信端口和I2C接口，在控制成本的基礎(chǔ)上滿足了設(shè)計(jì)的要求。

2.2 電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路采用外加 24V電源供電，并通過(guò)WRB2405芯片和 ASM1117，分別得到正負(fù) 5V和3.3V電壓。在圖3和圖4中，D1用于防止外部電源接反而造成對(duì)電路的破壞，C1、C2、C3、C4用于濾波。

圖3 24V轉(zhuǎn)5V

圖4 5V轉(zhuǎn)3.3V

2.3 超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)電路

超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)是硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵，驅(qū)動(dòng)能力直接影響超聲波換能器發(fā)射超聲波的質(zhì)量，繼而影響測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)采用頻率為200kHz的PWM波作為激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)來(lái)控制MOS管的開關(guān)。由于超聲波換能器需要較高的激勵(lì)電壓，故采用高頻變壓器進(jìn)行升壓。在圖5中，當(dāng)PWM波為低電平時(shí)，Q2斷開，Q3導(dǎo)通，給MOS管提供開通電壓，繼而變壓器不工作；當(dāng)PWM波輸出為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q4導(dǎo)通，Q3斷開，MOS管放電，變壓器原邊提供24V工作電壓［5］。Q2和Q3在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，工作在飽和區(qū)。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

由于圖 5裝置需要較快的開關(guān)速度，而 MOS管中存在寄生電容會(huì)延長(zhǎng)開關(guān)速度，所以增加 Q4來(lái)快速的泄放寄生電容中的電流，以加快MOS管的開關(guān)速度；同時(shí)在變壓器的原邊接上二極管，用于加快其放電過(guò)程。仿真結(jié)果如圖6所示，由此看出得到了良好的波形。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路波形

2.4 切換電路

由于超聲波探頭采用的是收發(fā)一體的，所以切換電路顯得尤其重要。本設(shè)計(jì)采用的是通過(guò)單片機(jī)的高低電平來(lái)控制三極管的開斷，通過(guò) TLP285光耦芯片進(jìn)行隔離設(shè)置來(lái)保護(hù)單片機(jī)的接口；由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，采用了耐壓較高的13009三極管；通過(guò) CD4051芯片來(lái)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行控制，但一般的模擬開關(guān)的耐壓值比較低，所以加入了鉗位電路將電壓的幅值限制正負(fù)0.7V之間，如圖7所示。

圖7 切換電路

2.5 放大電路

超聲波探頭接收到超聲波信號(hào)的信號(hào)十分微弱，只有毫伏級(jí)別，后續(xù)電路難以進(jìn)行比較，因此需要將此微弱信號(hào)進(jìn)行放大［6］。

本設(shè)計(jì)采用AD8656運(yùn)放芯片進(jìn)行放大電路的設(shè)計(jì)。AD8656芯片是雙通道的運(yùn)放芯片，由于信號(hào)十分微弱，所以設(shè)計(jì)用一級(jí)電壓跟隨的設(shè)計(jì)，一級(jí)進(jìn)行同相放大。電壓跟隨器輸入阻抗大，而輸出阻抗小，起到了隔離緩沖的作用，如果直接進(jìn)行連接，易造成信號(hào)衰減。在后續(xù)電路要進(jìn)行電壓比較，所以盡可能的將放大后的電壓控制在3.3V左右，所以將對(duì)交變信號(hào)放大50倍，原理如圖8所示，在電源的附近都有一個(gè)4.7μf的鉭電容和0.1μf的瓷片電容是為了去耦和防止電源自激蕩。運(yùn)放采用的是同相比例放大電路，輸出U。C17為了濾除信號(hào)中含有較高的直流分量，這樣防止運(yùn)算放大器飽和。

圖8 放大電路原理圖

由圖9可見，放大出來(lái)的效果是十分理想的。

圖9 信號(hào)放大前后對(duì)比圖

2.6 濾波電路

本設(shè)計(jì)采用的輸入信號(hào)的頻率為200kHz，所以我們應(yīng)該將接收到的信號(hào)中除了 200kHz以外的無(wú)用信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，以免對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行干擾，影響測(cè)量的精度。本人采用的是美信公司的MAX275芯片，由于其可以根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的計(jì)算方法來(lái)確定各個(gè)電阻的阻值，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，可以連接成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等。運(yùn)用兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成四階帶通濾波器，中心頻率為200kHz，帶寬為20kHz。設(shè)計(jì)原理圖如圖10所示。

圖10 帶通濾波器

2.7 電平比較電路

經(jīng)過(guò)以上的相關(guān)處理后，所得到的是交變的模擬信號(hào)，仍然不能將其送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)字處理。所以，在信號(hào)處理過(guò)程中，并不用將全部信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，只是選取一個(gè)時(shí)間的截點(diǎn)，所以可以采用電壓比較電路。本設(shè)計(jì)采用的是專業(yè)的比較器芯片LM193，切換速度快，延遲低。由于其是集電極開路輸出，在輸出端應(yīng)該接上拉電阻。原理如圖11所示。

圖11 電壓比較電路

采用專業(yè)的電壓比較器芯片LM193，取躍變信號(hào)的終點(diǎn)作為計(jì)時(shí)截止時(shí)間。由于存在噪聲的影響，閾值不能設(shè)定為零，為此用一個(gè)電位計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)閾值電壓，此閾值電壓需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反復(fù)的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，來(lái)達(dá)到最好的檢測(cè)效果。R41為可調(diào)電位計(jì)，可為在調(diào)試過(guò)程中提供不同的閾值。通過(guò)比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平，通過(guò)單片機(jī)的識(shí)別，進(jìn)行中斷響應(yīng)。仿真實(shí)驗(yàn)圖如圖12所示，仿真效果比較理想。

圖12 電平比較電路仿真圖

2.8 外圍功能電路設(shè)計(jì)

由于測(cè)風(fēng)裝置安裝在室外，會(huì)受到惡劣的自然環(huán)境的影響，所以本設(shè)計(jì)加入了測(cè)溫裝置［7］和測(cè)氣壓裝置，在一定的條件下起動(dòng)加熱裝置，為測(cè)風(fēng)裝置長(zhǎng)久穩(wěn)定的運(yùn)行提供了保障同時(shí)擴(kuò)展了測(cè)風(fēng)裝置的功能［8］。本設(shè)計(jì)采用氣壓傳感器 BMP085芯片，此芯片既可以測(cè)量氣壓也可以測(cè)量溫度，采用 I2C協(xié)議通信。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)的要求。原理如圖13所示。

圖13 氣壓傳感器

2.9 模擬量輸出的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模擬量輸出方式，電流輸出在 4～20mA，電壓輸出在0～5V。設(shè)計(jì)中采用AD5422芯片來(lái)作為轉(zhuǎn)化成模擬量。

AD5422是低成本、精密、完全集成、12/16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程電流源和可編程電壓輸出，輸出電流范圍可編程設(shè)置為4～20mA、0～20mA。靈活的串行接口為SPI和MICROWIRE兼容型，可以采用三線式模式工作，從而極大的降低隔離應(yīng)用和數(shù)字隔離要求，該器件含有一個(gè)異步清零引腳，它可將輸出設(shè)置為零電平/中間電平電壓輸出或?qū)⑤敵鲈O(shè)置為選定電流范圍的地端，滿足于工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用的需要。具體電路圖如圖14所示。

圖14 AD5422連接圖

2.10 通信模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)風(fēng)裝置除了采用模擬量輸出的方式，還采用RS-485通信的形式，將所測(cè)數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行通信。

1）RS-485的電氣特性:采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

3）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

設(shè)計(jì)電路如圖15所示。

圖15 RS-485通信電路

3 結(jié)論

本文對(duì)超聲波測(cè)風(fēng)裝置的測(cè)風(fēng)原理和硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，整體設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，抗外界環(huán)境能力強(qiáng)。由對(duì)各個(gè)模塊的仿真分析可知，各個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的設(shè)計(jì)功能，能夠滿足其工業(yè)上的設(shè)計(jì)要求。由于時(shí)間的有限，還沒(méi)有進(jìn)行各個(gè)部分的聯(lián)調(diào)，后期主要完成主干程序的編程工作，進(jìn)行實(shí)地進(jìn)行測(cè)量。

本設(shè)計(jì)限于客觀條件的限制，完成了測(cè)量風(fēng)速的基本功能，在某些方面存在不足。在以后的設(shè)計(jì)改進(jìn)中，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):

1）可以采用運(yùn)算速度更高的 DSP芯片來(lái)取代單片機(jī)。

2）在閾值時(shí)間的檢測(cè)方法上，可以采用更精確的算法，比如互相關(guān)算法等來(lái)提高測(cè)量時(shí)間的精確度。

3）增加外圍功能器件，來(lái)增強(qiáng)測(cè)風(fēng)儀的功能，如增加測(cè)量濕度的芯片等。

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The Design of STM32 System based on Mcu Windfinding

Chen Zhizhou1Liu Xiaohe1Tian Yucong2
（1.College of Auto，Mation，College of Automation，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192；2.Beijing Guodian Zhishen Control Technology Co.，Ltd，Beijing 100085）

With the use of a wide range of wind energy，to improve the utilization of wind energy has become the focus of the study，and the accuracy of wind speed and direction of wind energy plays a key role.Ultrasonic wind measurement device can adapt to the harsh natural environment and can keep the high precision and widely used.The paper describes in detail the research method and the hardware circuit design of the measuring system of the wind，The experimental results show that the design of each part can meet the requirements of industrial design.

wind measurement device；the ultrasonic sensor；drive circuit；STM32

陳志洲（1990-），男，河北省邯鄲市人，碩士研究生，主要從事控制理論與控制工程方面的研究。