CN206193026U

CN206193026U - 一种太阳能超声波测风仪

Info

Publication number: CN206193026U
Application number: CN201621213794.0U
Authority: CN
Inventors: 陈晓; 邢玉品
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing Xiaoyang Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2026-11-10

Abstract

本实用新型提供了一种太阳能超声波测风仪，包括超声波测风系统、太阳能供电系统，以及无线传输系统。超声波测风系统包括MSP430控制芯片，CPLD控制芯片，控制超声波收发和处理的电路以及4个超声波收发探头。太阳能供电系统包括太阳能电池板、CN3717控制电路、铅酸蓄电池，负载电路。无线传输系统包括终端设备、GPRSMODEM、GPRS基站、互联网，数据监测中心。本实用新型的有益效果是：部件无需转动，减少仪器的摩擦损耗。采用MSP430和CPLD做为控制芯片大大降低了系统的功耗。采用太阳能电池板供电，无需铺设电缆，测量信息远程无线传输，远距离后方监测，可广泛应用于环境恶劣的高山、海岛等无人值守的边远地区或者是供电困难布线费用大的地区。

Description

一种太阳能超声波测风仪

技术领域

本实用新型涉及风速风向测量技术领域，涉及一种太阳能超声波测风仪，可广泛应用于气象、海洋、环境、农业、林业、水利、电力、科研等领域，为其提供所需的风速风向数据。

背景技术

风速的精确测量在气象、航空、航海、风力发电等领域都有着重要的价值。目前气象领域测风速风向主要是风杯和风向标，它们都有转动部件，存在转动惯性，会产生机械摩擦对仪器造成损坏。同时在恶劣的环境下也会失去测量的意义，例如沙尘、盐雾，冰雪等都会对其造成影响。随着技术的发展产生利用超声波装置测量风速风向的超声波测风仪，但是功耗太大，采用有线方式进行数据传输的风速仪，其布线复杂、维护困难，尤其在偏远地区无法供电或者是布线困难的地方无法进行风速风向测量。

实用新型内容

本实用新型提供了一种太阳能超声波测风仪，能够降低功耗、布线简单且测量数据能够长距离传输，提高风速风向测量精度和分辨率，便于携带和安装；采用太阳能电池板供电，无需铺设电缆，测量信息远程无线传输，远距离后方监测，解决了现有技术中存在的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种太阳能超声波测风仪，包括超声波测风系统、太阳能供电系统，以及无线传输系统；

超声波测风系统包括MSP430控制芯片、CPLD控制芯片；MSP430控制芯片和CPLD控制芯片分别连接超声波收发和处理电路；超声波收发和处理电路连接4个可收发超声波的探头，分别为探头A、探头B、探头C、探头D,其中探头A和探头B相对设置，探头C和探头D相对设置，探头A和探头B所在的直线与探头C和探头D所在的直线垂直；

太阳能供电系统包括太阳能电池板、CN3717控制电路、铅酸蓄电池；太阳能电池板为CN3717控制电路提供电能的输入，CN3717控制电路将采集到的电能充给铅酸蓄电池，铅酸蓄电池储存电能为测风仪供电；太阳能电池板倾斜设置，太阳能电池板下方设置一个腔体为蓄电箱，蓄电箱装放铅酸蓄电池、GPRS MODUM。

无线传输系统包括终端设备、GPRS MODEM、GPRS基站、互联网，数据监测中心；测风仪通过RS232接口连接GPRS MODEM,GPRS MODEM通过GPRS基站和网关将数据传输至互联网；数据监测中心可以直接访问互联网获取各地区时时风速风向数据并进行数据分析和保存。

进一步的，所述超声波收发和处理电路连接前置放大器电路，超声波接收要先经前置放大器进行信号放大，前置放大电路包括一个精密、高输人阻抗仪表放大器AD620。

进一步的，前置放大电路连接带通滤波器电路，带通滤波器电路过滤杂波和干扰脉冲等环境噪声信号。

本实用新型的有益效果是：

1、部件无需转动，减少仪器的摩擦损耗。

2、采用MSP430和CPLD做为控制芯片大大降低了系统的功耗。

3、采用太阳能电池板供电，无需铺设电缆，测量信息远程无线传输，远距离后方监测，可广泛应用于环境恶劣的高山、海岛等无人值守的边远地区或者是供电困难布线费用大的地区。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：

图1是本实用新型所述的超声波测风系统的系统结构图；

图2是超声波发射电路；

图3是前置放大器电路；

图4是带通滤波器电路；

图5是太阳能供电系统组成；

图6是CN3717控制电路；

图7是无线传输系统；

图8是太阳能超声波测风仪外观图，其中(1)为太阳能电池板，(2)为蓄电箱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

探头A和探头B可对应南北方向，探头A和探头B之间的距离为d，超声波从探头A传送到探头B的时间为t_AB，超声波从探头B传送到探头A的时间为t_BA，其中一个时间为顺风时间，一个时间为逆风时间，探头A和探头B直线方向上的风速为V_y，探头C和探头D直线方向上的风速为V_x，超声波传播速度为C，

可得：

测得两个不同方向上的风速分量根据矢量合成原理可算出总的风速、风向。实际的风速风向分别为：

即

超声波测风系统硬件采用零功耗的CPLD ispMACH 400ZC和微功耗微处理器MSP430。零功耗CPLD采用Lattice公司专门为低功耗产品而设计的芯片，最高频率可达260MHz，静态功耗只有10uA供电电压1.8V，主要完成时差法的高精度计时、对接收和发送通道的控制、发送超声波驱动脉冲等功能。MSP430单片机是TI公司一款优秀的低功耗微处理器，低功耗状态可达几个uA级，用于读取CPLD数据并计算风向风速，对超声波发送和接收电路的电源管理、对CPLD控制，以及通过RS232进行通信上传数据。电路系统由通道选择控制、超声波发射驱动和接收转换电路组成；先由单片机选择南或北通道、接收或发送通道，再由CPLD输出10个脉冲到发射驱动电路并开始计时，经过发射驱动，激励换能器产生超声波；超声波经空气介质到达对面换能器经接收前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制(AGC)电路、峰值包络电路、微分电路、过零检测电路，产生CPLD停止计时控制信号，MSP430读取计数值,根据CPLD时钟就可以求出超声波传输时间。用此方法测量相反方向超声波传输时间可求得V_y。同理，测量东西方向的超声波传输时间求得V_x，这样就可以计算出瞬间的风向风速值。

图2是超声波发射电路，S1为模拟开关用于选择通道，变压器T1将电压提升至15V给换能器供电，C1、C2变压器次级与换能器构成谐振回路,R1与变压器T1副线圈并联，用于消除超声波余波,但因其同时也消耗功率故R1不能太大。在变压器T1原线圈上，并联由Q1和R2组成另外一个余波抑制电路，在超声波驱动脉冲通过Q2、Q3发送后，使Q1导通进而使变压器初级强制短路来达到快速消耗谐振能量的目的。Q2、Q3组成乙类互补对称功率放大电路为了提高效率，采用正方波驱动。

图3是前置放大器电路。超声波接收要先经前置放大器进行信号放大。考虑到换能器的输出电阻比较大，电路必须有足够大的输入阻抗。前置放大电路由一个精密、高输人阻抗仪表放大器AD620构成。

图4是带通滤波器电路，超声波接收电路的信号中混有杂波和干扰脉冲等环境噪声，而前置放大电路在放大有用信号的同时会将一部分的噪声信号同时放大。于是设计高品质因数的滤波器对于整个系统十分重要。根据系统设计要求采用了二阶有源巴特沃斯带通滤波器。

太阳能控制电路的作用是高效的采集太阳能电池板的电量，然后根据蓄电池电量的状态进行智能充电，太阳能控制电路使太阳能供电系统的核心控制部分。太阳能控制电路以驱动芯片CN3717为核心，芯片自带电压检测模块，根据检测到的铅酸蓄电池电量在涓流，标准，过充电和浮充电四种模式下，选取相应的模式对蓄电池进行充电。这种方式在一定程度上延长了蓄电池的续航能力，及使用寿命。

如图6所示为CN3717控制电路。CN3717对铅酸蓄电成的充电过程为。当VCC引脚的电压值大于所设定的电压时，并且大于电池组所带电量时。充电器开始工作，对铅酸蓄电池组进行充电。当铅酸蓄电池组所带电量低于所设定标准电压的82％时，充电器对铅酸蓄电池组进行涓流充电。此时充电电流仅为标准充电电流的13％。当电池组所带电量大于所设置的过充电压的82％时，充电器进入标准充电模式。

图7是无线传输系统。测风仪通过RS232接口将数据传输至物联网传输终端GPRSMODEM,GPRS MODEM通过GPRS基站和网关将数据传输至互联网。监控中心部分可以直接访问互联网获取各地区时时风速风向数据并进行数据分析和保存，所以监控部分并不需要再设置GPRS模块。

图8是太阳能超声波测风仪外观图。其中(1)为太阳能电池板，太阳能电池板以一定倾斜角度斜搭在测风仪柱体旁边，以便最大限度接受光照进行发电。电池板下方设置一个腔体为蓄电箱(2)，蓄电箱装放蓄电池以及GPRS MODUM模块。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种太阳能超声波测风仪，包括超声波测风系统、太阳能供电系统，以及无线传输系统；

太阳能供电系统包括太阳能电池板、CN3717控制电路、铅酸蓄电池；太阳能电池板为CN3717控制电路提供电能的输入，CN3717控制电路将采集到的电能充给铅酸蓄电池，铅酸蓄电池储存电能为测风仪供电；太阳能电池板倾斜设置，太阳能电池板下方设置一个腔体为蓄电箱，蓄电箱装放铅酸蓄电池、GPRS MODUM;

2.根据权利要求1所述的一种太阳能超声波测风仪，其特征在于，所述超声波收发和处理电路连接前置放大器电路，超声波接收要先经前置放大器进行信号放大，前置放大电路包括一个精密、高输人阻抗仪表放大器AD620。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能超声波测风仪，其特征在于，前置放大电路连接带通滤波器电路，带通滤波器电路过滤杂波和干扰脉冲等环境噪声信号。