基本信息
- 项目名称：
- 超声波风速仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 采用了一种基于传统时差法的超声波风速风向检测，利用单片机MSP430为控制核心，构成了高速、低功耗的计时模块，采用LCD12864的实时显示模块，基于ZigBee协议的无线发送模块等。超声测风仪特别适合用于环境检测、航海、工业风道检测以及危险性气体的测量，能在无人管理下的恶劣自然环境中长期工作。目前设备已研制成功，如果进一步完善工艺投入生产，将具有极大的实用价值与极其广阔的市场前景。
- 详细介绍：
- 目前,国内常规测风仪都是机械旋转型测风仪器，如风杯、风向标式、螺旋桨带尾翼式等.上述仪器由于需要机械转动，所以设备能耗大，寿命短，零点漂移很严重，受自然条件影响大。 而目前国外市场基本上已经淘汰了机械式风速测量设备，取而代之的是基于超声波的风速仪。超声波风速仪与传统的测风仪相比稳定性、寿命、精度提高很多，不受自然条件限制。而且可进行多点风速风向测量，微控自动测量，增大了测量范围，减少了设备能耗，更重要的是能在无人管理下长期工作。因此被认为是理想测量工具。 据了解超声波测风仪在德国英国等发达国家已有了批量生产，但价格昂贵。而我国此类产品还处于实验室阶段,国内还尚无成品。本设计制作结合国外技术和国内现状，立足于自主创新，进行实用型、经济型超声波风速仪的开发。 时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算风速，进而求得风向。顺风将使超声信号传播时间增大，逆风将会使之减小。如果风速为零，信号双向的传输时间相等。 通过多次的实验，我们确定了四个超声波模块中间有一个顶板将超声信号进行反射的模型。该模型既增加了超声信号在流体中传播的时间，又使得模型体形精巧便于携带，而且受外界环境的干扰小。整个模块包括四个超声波发射接收模块、含有MSP430单片机的中央处理模块、实时显示模块、基于ZigBee的无线发射模块、太阳能电池板供电模块。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：实现风速风向的自动测量，提高风速测量的精度，扩展风速测量范围，进而取代目前国内市场上缺陷颇多的传统机械旋转型风速仪；引入新兴的ZigBee物联网技术，使区域气象监测更具自动化、智能化；最重要的是填补了我国在超声波风速仪这一领域的空白，追赶与欧美国家在此领域的差距。 基本思路：利用超声波在流体中传播时，流体的流动状态对超声波频率产生的影响；测量分析超声波在风中传播时其频率的变化，传输到MSP430单片机上；单片机处理计算出实时风速、风向、温度、湿度，并传输到LCD12864上显示；再通过ZigBee无线传输模块实现智能组网监测。 创新点： 1.由于我国此类产品还处于实验室阶段,市场上尚无成品；而多数欧美国家已批量生产且逐步取代传统机械旋转型测风仪成为其市场上的主导产品，所以本作品的研制将填补我国在这一领域的空白，为风测量提供新型的高精度设备。 2.引入ZigBee物联网技术，组建了区域内的气象监测网，只在终端检测室就可了解该区域任意节点的风速、风向等气象数据。使作品更具自动化、智能化。 3. 非接触式超声波风速测量比传统旋转接触式测量的精度更高，弥补了传统机械风速仪不能自动测量风向的缺点。 技术关键：超声波从发射时到接收时的时间差测量；测量数据的无线传输；区域内的ZigBee智能组网。 主要技术指标：作品测量的范围，分辨率，稳定性，零点漂移情况，能耗，寿命。
科学性、先进性
- 作品的科学性先进性： 常规测风仪，如风杯、风向标式、螺旋桨带尾翼式，由于需要机械转动，所以设备能耗大，寿命短，零点漂移很严重，受自然条件影响大。 超声波风速仪与传统的测风仪相比具有以下技术特点：高精度、低功耗、智能化。由于没有机械接触，所以稳定性、寿命、精度提高很多，而且不受自然条件限制，实现了风向的自动测量；通过太阳能电池板供电和ZigBee智能组网技术的应用，作品可进行多点测量，微控自动测量，增大了测量范围，减少了设备能耗；更重要的是能在常规测风仪无法测量的恶劣自然环境中无人管理下长期工作。与现有技术相比，作品具有突出的实质性技术和显著的进步。
获奖情况及鉴定结果
- 由于时间原因未进行权威评审，只在校内比赛中进行评审、鉴定、展示过，测试效果良好。
作品所处阶段
- 已做出样品，并进行了初步的测评。如进一步改善工艺，能发挥市场效益。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、图纸、现场演示、图片、样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 通电源后将自动开启，通过ZigBee无线传输至终端监控室形成远程监控，最后通过多点布控组建区域内的气象监测网。在终端检测室就可了解该区域内任意布控点的风速、风向等气象数据。 技术特点和优势： 方案原理简单，抗干扰能力强，测量精度高；降低功耗；减少软件延时；使用寿命大幅度提升；智能化。作品能在常规测风仪无法测量的恶劣自然环境或危险环境中无人管理下可以长期工作。 适应范围及推广前景： 本作品的研制为民用、航海、军事等高需求的风速、风向测量提供了高精度耐用的测风仪器。同时高精度风速的测量在煤炭、飞机、汽车、电力等方面都十分重要。进一步完善制作工艺，也可供海洋、沿海大风、高山等恶劣自然条件下使用。 我国此类产品还处于起步阶段。本作品的研制，将填补我国在这一领域的空白。其推广必将具有广阔的市场前景同时将带来巨大的经济效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 在对气象学越加重视的今天，气象数据的采集更显重要。风速是气象数据中的一个重要的参数，它的测量精准度会影响到气象预报的准确性。最初的机械旋转型风速仪，靠人工测量，精度差，数据不及时。 目前，国内常规测风仪器, 如风杯、风向标式, 螺旋桨带尾翼式, 已经使用多年, 特点是工作稳定可靠, 测量范围和精度基本满足常规要求。但是研究表明, 上述旋转型测风仪器, 由于减速时的距离常数比加速时的大, 其测量风速的平均值有时比实际值高出10％-20％； 在自然条件变化（如降雨、降雪、风沙）情况下, 测量会带来较大误差. 转动部分的机械磨损, 腐蚀也会增加测量误差。另一方面, 由于此类旋转型仪器的响应速度较慢, 动态指标不高, 也限制了它的使用范围。 然而超声波风速仪无机械接触，很好的改善常规测风仪的缺点，能在恶劣的自然环境中，无人管理下稳定，可靠的长期工作。 目前，我国的超声波风速仪仍处于实验室研究阶段，没有高精度的、稳定性好的相关产品投入批试销售。虽然国内市场已经出现的个别超声波风速仪，但是结构较为简单，稳定性，可靠性不佳，高性能产品仍处于研究开发阶段。 国外已经出现了较为复杂的，高精度的超声波流体检测仪器，而且已逐渐取代常规机械旋转型测风仪成为其市场主导产品。但外国产品在我国的价格十分昂贵，而且是有价无货的情况，只有极少产品流入国内市场，最终只用于航海、气象、军事等高需求的高端产业中。 本作品结合国外技术和国内技术现状，立足于自主创新，进行实用型、经济型超声波风速仪的研制。
