專利名稱：一種便攜式高精度三維測風儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種便攜式高精度三維測風儀，屬于自動化測量儀表技術領域，它可用于測量各種天氣狀況、環境下的風速、風向數據。
背景技術：
(一 )測風儀
背景技術：
風速、風向的測量在氣象、體育、民航安全等各個方面均有著十分重要的意義，由此也衍生出各式各樣的測風儀器，在不同場合有著廣泛的應用。目前常見的低空測風儀主要有以下幾種(1)機械式測風儀，如風杯式測風儀、風葉式測風儀等。機械式測風儀通過活動葉片隨著自然風的受力產生轉動，測量轉動速度從而計算風速。由于機械式測風儀依靠內部葉片的轉動，故存在反應速度慢、測量精度低、容易損壞等缺點，但優勢在于成本低。(2)超聲波測風儀。儀器內部的超聲波傳感器通過正、逆壓電效應實現高頻聲能與電能之間的相互轉換，從而實現超聲波的發射和接收。由超聲波在兩點間的發射、接收的時間差，可計算出當前風速值。目前市場上常見的超聲波風速儀有一維、二維、三維的差別，隨著測量維數的增加，其價格也隨之更加昂貴，其中三維超聲波測風儀報價為10萬以上。超聲波測風儀的優勢在于反應速度快、測量精度高。(3)多普勒激光測風儀。激光測風系統通常采用IOum和2um波長的激光對大氣邊界層內的氣溶膠散射信號進行相干探測，直接得到徑向風速的多普勒頻移，進而得到風速信息。激光測風儀采集信息范圍廣、數據精確，但是成本更為高昂，而且體積較大，需要車載移動，目前主要用于大型活動的氣象探測，難以推廣。綜上所述，現有測風儀存在如下問題1)目前廣泛使用的機械式測風儀只能測出平面風速，且有轉動的機械結構，精度低、易損壞，越來越不能滿足市場的需求。2)高精度的多普勒激光測風儀體積較大，難以滿足需要便攜式測風儀的場合。3)不能兼顧精確度與制造成本，精度高的超聲波、多普勒激光測風儀均構造復雜、
造價高昂。(二)MEMS氣體流量芯片
背景技術：
MEMS技術是指在芯片大小的范疇內，采用現代加工工藝和材料生長及合成技術制造的具有機械、電子及其他物理特性的微系統，由于其主要工藝是構筑在硅片上，因此一般稱為MEMS芯片。MEMS氣體流量芯片即為采用MEMS技術制造的用于測量氣體流量的芯片。便攜式高精度三維測風儀所選用的MEMS氣體流量芯片，其原理是利用“能量平衡”，也稱為“熱分布式”的熱質量流量計。MEMS氣體流量芯片中包含一個微熱源(電阻絲通電流即可加熱)和溫度傳感器，微熱源保持與環境溫度之間的溫差，在芯片周圍形成固定的溫度場分布。如果流通過芯片表面的氣體是單向流動，則氣體流過芯片時將帶走熱量，使得芯片的溫度場發生變化。氣體的流速越快、密度越大，則帶走的熱量越多。因此，通過測量傳感器上的溫度場的變化，即可得出流經芯片的氣體流速(質量流量)。目前MEMS氣體流量芯片已經廣泛應用于氣體流量計，有著近20年的產品歷史，并可達到0. 5%的高測量精度，是一種微型、高精度、可靠性高的流量測量產品。
發明內容
本發明技術解決的問題是使用MEMS氣體流量測量芯片，設計高精度的AD采集電路，并依托單片機(Micro Processor)實現多通道采集、數據處理及存儲方案，以最終用于計算風速。本發明的技術解決方案是一種便攜式高精度三維測風儀，它是由指南針定位裝置、三路MEMS氣體流量芯片、恒流源電路、多通道A/D采集電路、溫濕度測量模塊、單片機、液晶顯示模塊、標準通訊模塊組成。它們之間的位置連接關系是指南針定位裝置安裝于測風儀表面，可指示儀器所處的方位；三路MEMS氣體流量芯片成三維垂直結構，固定于測風儀表面；恒流源電路連接三路MEMS氣體流量芯片，為其提供精確穩定的電流；三路MEMS氣體流量芯片的輸出送入多通道A/D采集電路；多通道A/D采集電路的輸出送入單片機中；溫濕度測量模塊的輸出送入單片機中；單片機的輸出連接到液晶顯示模塊以及標準通訊模塊。所述指南針定位裝置，由測風儀上固定位置的標識(正北方向點)和一根裝在軸上可自由轉動的磁針組成，兩者之間的關系是磁針在地磁場的作用下能保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極(N)指向地理的北極。當用戶使用測風儀時，調整測風儀的方向，使得磁針的北極指針(N)指在風速儀的正北方向點上，從而測風儀正面向北，其本身的方位可確定。該固定位置的標識是測風儀表面的圓形黑色標識點；該磁針是按需要選購的市購產品。所述三路氣體MEMS流量芯片，由三片MEMS流量芯片構成三維垂直結構，當測風儀正面向北放置時(磁針的北極指針指在測風儀的正北方向點上)，三片MEMS流量芯片的位置分別為平行于地平面與磁子午線平行、平行于地平面與磁子午線垂直、垂直于地平面。 MEMS流量芯片內部含有微熱源，在恒流源電路的作用下保持在一個恒定的溫度上，使得該芯片上方的空間形成確定的溫度場，當空氣以不同的速度流過該芯片時，溫度場也將發生不同的變化，則該芯片上的溫度傳感器即可測得此變化，并將所測溫度值傳遞給多通道A/D 采集電路。該三路氣體MEMS流量芯片是按需要選購的市購產品。所述恒流源電路，由恒流源芯片、控制線組成。其間關系是單片機通過控制線對恒流源芯片進行開關控制，從而使得恒流源芯片對MEMS流量芯片內部的微熱源進行穩定、 精確的加熱，能夠保持微熱源在某一給定溫度上。該控制線是單根普通導線。所述多通道A/D采集電路，由模擬開關、精密電壓轉換電路、A/D轉換芯片組成， 三者之間的關系是模擬開關用于通道選擇，單片機通過控制模擬開關循環選通三路氣體 MEMS流量芯片，分時進行數據采集；精密電壓轉換電路將電源電壓轉換為A/D轉換芯片所需的電源電壓，為A/D轉換芯片提供精確穩定的參考電壓；A/D轉換芯片將輸入的模擬電壓量(溫度信號)轉換為數字量輸出，提供給單片機處理。該精密電壓轉換電路由芯片 LT1790BC96及濾波電容組成，其間相互連接。
所述溫濕度測量模塊，由溫度傳感器DS18B20芯片、濕度傳感器DHTll芯片組成。 兩者之間的關系是互相獨立，并行工作，輸出數據給單片機；其中，溫度傳感器DS18B20可將溫度信號轉換為數字信號格式，傳遞到單片機中進行處理；濕度傳感器DHTll則將當前濕度值轉為數字信號，傳遞給單片機進行處理。測得當前的溫濕度值，用于風速計算時作數據修正，提高風速測量的精確度。所述單片機，為整個電路的處理器，其主要功能是，控制恒流源電路的通斷，選通多通道A/D采集電路，接收A/D轉換芯片的輸出信號，計算出溫度變化曲線所對應的風速值，并接收溫濕度測量模塊的輸出信號，對風速值進行溫濕度修正，最后將最終的空間風速矢量值輸出給液晶屏、標準通訊模塊。所述液晶顯示模塊，由液晶屏、液晶控制器、排線組成。其間關系是排線包括數據線、控制信號線，連接單片機與液晶控制器，通過液晶控制器的譯碼，單片機發送指令及數據控制液晶屏的輸出。液晶顯示模塊，可以實時顯示風速變化曲線、溫濕度、風向等參數，效果清晰、直觀。所述標準通訊模塊，由GPRS無線模塊、USB通訊接口組成。其間關系是是相互獨立，并行工作；GPRS無線通訊模塊，傳輸距離遠，通訊穩定性高，可實現風速、風向數據的實時、無線傳輸，以便利地提供數據給測風單位使用；USB通訊接口標準，傳輸數據穩定、快速，使用便捷。其中，該三路氣體MEMS流量芯片的型號為Posifa Flow Sensor ；其中，該恒流源芯片是LT3092 ；其中，該模擬開關是芯片ADG734 ；其中，該A/D轉換芯片是AD7699 ；其中，該單片機的型號是MSP430F2471 ；其中，該液晶屏的型號是DT24064 ；其中，該液晶控制器的型號是T6963 ；其中，該排線的規格是2. 54mm間距20針的灰排線。該裝置工作原理流程如下首先使用指南針定位裝置，標識測風儀裝置當前的方位，令用戶按儀器上的指示調整測風儀的方位，使得指南針的北向指針指在測風儀的正北方向點上，此時測風儀為正面向北放置；之后使用三維垂直放置的MEMS氣體流量芯片，當測風儀正面向北放置時， MEMS氣體流量芯片的方位已確定，分別為平行于地平面平行磁子午線方向、平行于地平面垂直磁子午線方向、垂直于地平面方向；接著控制恒流源電路為MEMS氣體流量芯片內部的微熱源加熱，并使微熱源保持在一恒定溫度上(通常為160°C )；多通道A/D采集電路對三路MEMS流量芯片進行循環選通、數據采集，將芯片內部溫度傳感器的信號轉換成數字信號，并輸出給單片機；單片機讀入多通道A/D采集電路輸出的風速信號，并由最小二乘擬合法進行曲線擬合，計算出各方向上的風速值并進行矢量合成，得到風速的空間矢量值，然后使用從溫濕度模塊中讀取到的溫濕度信號，對風速值進行溫濕度修正，給出最終的風速值； 單片機將所計算出的風速、溫、濕度值輸出給液晶顯示模塊，進行實時顯示；用戶還可以按需要，通過標準通訊模塊(GPRS通訊模塊或USB接口)將所測得的風速值、溫、濕度等值進行數據讀取、傳輸。
本發明的思想是由于風是在三維空間中產生、運動的，所以準確的風速測量應測出風的三維矢量值，由此，設計三維的測風儀結構，使得在X、y、Z三個方向上的風速值均測出，進行合成后即可得到準確的風速值。確定傳感器安裝結構后，使用模擬開關實現對三路傳感器的控制、選通、電路切換。然后將采集到的信號輸入單片機中，并進行信號處理算法， 計算出風速、風向數據，最終實現整套寬范圍、高精度的測風儀。測風儀上采用液晶實時顯示風速曲線和風速、風向等參數，且數據可通過GPRS無線模塊、USB接口進行通訊。本發明與現有技術相比的優點在于實現了基于MEMS氣體流量芯片的三維測風儀，體積小、重量輕，十分便攜，而且既實現了寬范圍、高精度的風速測量，又大幅度節約了制造成本。其具有以下優點1)整個電路輕便、微型，易于攜帶，適用于移動的野外作業；2)設計的三維測風結構，使用三路傳感器對風速在空間x、y、z軸方向的分量均進行測量，可測出真實的三維風速矢量；3)采用最小二乘算法擬合傳感器曲線，加入溫濕度修正因素，提高了測風范圍和精度，對微小氣流干擾有一定的抑制能力；4)采用液晶顯示，直觀明顯，且豐富了顯示信息，滿足實時性要求。5)GPRS通訊模塊，實現了使用者的遠距離測量、采集數據，方便了測風儀的使用。
圖1為測風儀的三維結構示意圖。圖2為測風儀的電路總體結構圖。圖3為單片機的主程序流程圖。
具體實施例方式一種便攜式高精度三維測風儀，它是由指南針定位裝置、三路MEMS氣體流量芯片、恒流源電路、多通道A/D采集電路、溫濕度測量模塊、單片機、液晶顯示模塊、標準通訊模塊組成。它們之間的位置連接關系是指南針定位裝置安裝于測風儀表面，可指示儀器所處的方位；三路MEMS氣體流量芯片成三維垂直結構，固定于測風儀表面，如圖1所示；恒流源電路連接MEMS氣體流量芯片，為其提供精確穩定的電流;MEMS氣體流量芯片的輸出送入多通道A/D采集電路；多通道A/D采集電路的輸出送入單片機中；溫濕度測量模塊的輸出送入單片機中；單片機的輸出連接到液晶顯示模塊以及標準通訊模塊。測風儀的整體電路結構圖如圖2所示，單片機主程序流程圖如圖3所示。所述指南針定位裝置，由測風儀上固定位置的標識(正北方向點)，和一根裝在軸上可自由轉動的磁針組成，磁針在地磁場的作用下能保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極(N)指向地理的北極。當用戶使用測風儀時，調整測風儀的方向，使得磁針的北極指針(N)指在風速儀的正北方向點上，從而測風儀正面向北，其本身的方位可確定。該固定位置的標識是測風儀表面的圓形黑色標識點；該磁針是按需要選購的市購產品。所述三路氣體MEMS流量芯片，由三片MEMS流量芯片構成三維垂直結構，當測風儀正面向北放置時(磁針的北極指針指在測風儀的正北方向點上)，三片MEMS流量芯片的位置分別為平行于地平面與磁子午線平行、平行于地平面與磁子午線垂直、垂直于地平面。MEMS流量芯片內部含有微熱源，在恒流源的作用下保持在一個恒定的溫度上，使得該芯片上方的空間形成確定的溫度場，當空氣以不同的速度流過芯片時，溫度場也將發生不同的變化，則該芯片上的溫度傳感器即可測得此變化，并將所測溫度值傳遞給多通道A/D采集電路。該三路氣體MEMS流量芯片是按需要選購的市購產品。具體型號為Posifa Flow Sensor0所述恒流源電路，由恒流源芯片、控制線組成。其間關系是是單片機通過控制線對恒流源芯片進行開關控制，從而使得恒流源芯片對MEMS流量芯片內部的微熱源進行穩定、精確的加熱，能夠保持微熱源在某一給定溫度上。該恒流源芯片是LT3092 ；該控制線是單根普通導線。所述多通道A/D采集電路，由模擬開關、精密電壓轉換電路、A/D轉換芯片組成， 其中模擬開關用于通道選擇，單片機通過控制模擬開關循環選通三路MEMS流量芯片，分時進行數據采集；精密電壓轉換電路將電源電壓轉換為A/D轉換芯片所需的電源電壓，為A/ D轉換提供精確穩定的參考電壓；A/D轉換芯片將輸入的模擬電壓量(溫度信號)轉換為數字量輸出，提供給單片機處理。該模擬開關是芯片ADG734 ；該精密電壓轉換電路由芯片 LT1790BC96及濾波電容組成；該A/D轉換芯片是AD7699。所述溫濕度測量模塊，由溫度傳感器DS18B20芯片、濕度傳感器DHTll芯片組成。 其中，溫度傳感器DS18B20可將溫度信號轉換為數字信號格式，通過單總線傳遞到單片機中進行處理；濕度傳感器DHTll則將當前濕度值轉為數字信號，傳遞給單片機進行處理。測得當前的溫濕度值，用于風速計算時作數據修正，提高風速測量的精確度。所述單片機，為整個電路的處理器，其主要功能是，控制恒流源電路的通斷，選通多通道A/D采集電路，接收A/D轉換芯片的輸出信號，計算出溫度變化曲線所對應的風速值，并接收溫濕度測量模塊的輸出信號，對風速值進行溫濕度修正，最后將最終的空間風速矢量值輸出給液晶屏、通訊模塊。該單片機的型號是MSP430F2471。所述液晶顯示模塊，由液晶屏、液晶控制器、排線組成。其中，排線包括數據線、控制信號線，連接單片機與液晶控制器，通過液晶控制器的譯碼，單片機發送指令及數據控制液晶屏的輸出。液晶顯示模塊，可以實時顯示風速變化曲線、溫濕度、風向等參數，效果清晰、直觀。該液晶屏的型號是DT24064 ；該液晶控制器的型號是T6963 ；該排線的規格是 2. 54mm間距20針的灰排線。所述標準通訊模塊，由GPRS無線模塊、USB通訊接口組成。GPRS無線通訊模塊，傳輸距離遠，通訊穩定性高，可實現風速、風向數據的實時、無線傳輸，以便利地提供數據給測風單位使用；USB通訊接口標準，傳輸數據穩定、快速，使用便捷。如圖1所示，便攜式高精度三維測風儀，使用3塊MEMS氣體流量芯片，在空間的三維垂直方向上分別放置，以測量風速的空間矢量值。在風速儀上標注正北方向點，用戶使用時，按適當方位放置風速儀，使得指南針的北向指針(N)指在風速儀的正北方向點上， 如此，則風速儀本身的方位可確定。從而可知，圖中按三維垂直方向放置的MEMS氣體流量芯片，此時的方位分別為平行于地平面與地磁南北線平行、平行于地平面與地磁南北線垂直、垂直于地平面。每塊MEMS氣體流量芯片測得其所在位置上的風速值，并進行合成，即可得到確定方向、確定數值的空間風速矢量值。如圖2所示，便攜式高精度三維測風儀，以空間三個垂直方向上的流量傳感器為系統輸入。本發明的具體方法為首先對流量傳感器施加恒定電流，加熱傳感器內的電阻絲，并保持其穩定在某一恒定溫度上；之后循環切換三個MEMS氣體流量芯片的溫度測量通道，對芯片內部溫度傳感器的數值進行快速的采集，并進行高精度A/D轉換后送入單片機中；給出三組傳感器的溫度變化曲線，并結合當前的環境溫、濕度數據進行分析處理，之后進行三維合成，最終計算出當前的空間矢量風速值。計算出的風速值、溫度曲線等數據可進行液晶顯示，或通過網絡接口送入上位機或其他指定設備。 如圖3所示，單片機主程序流程，完成初始化后，即進入流量數據采集環節，此環節包括選通恒流源對芯片內部微熱源進行加熱，使得微熱源保持在一恒定溫度上；選通采樣通道，采集芯片內部溫度傳感器的數據；讀取經過高精度A/D后的溫度數據；之后采集當前的環境溫濕度數據；由最小二乘法擬合MEMS氣體流量芯片內部的溫度場變化曲線，并經過溫濕度修正后，將三個方向上的風速值進行矢量合成，最終得到精確的風速值；將風速值、溫濕度值顯示在液晶屏上，并繪出風速變化曲線。重復以上過程。
權利要求
1. 一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于它是由指南針定位裝置、三路MEMS氣體流量芯片、恒流源電路、多通道A/D采集電路、溫濕度測量模塊、單片機、液晶顯示模塊和標準通訊模塊組成，指南針定位裝置安裝于測風儀表面，指示儀器所處的方位；三路MEMS 氣體流量芯片成三維垂直結構，固定于測風儀表面；恒流源電路連接三路MEMS氣體流量芯片，為其提供精確穩定的電流；三路MEMS氣體流量芯片的輸出送入多通道A/D采集電路； 多通道A/D采集電路的輸出送入單片機中；溫濕度測量模塊的輸出送入單片機中；單片機的輸出連接到液晶顯示模塊以及標準通訊模塊；所述指南針定位裝置，由測風儀上固定位置的標識即正北方向點和一根裝在軸上可自由轉動的磁針組成，磁針在地磁場的作用下能保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極N 指向地理的北極，當用戶使用測風儀時，調整測風儀的方向，使得磁針的北極指針N指在風速儀的正北方向點上，從而測風儀正面向北，其本身的方位確定；該固定位置的標識是測風儀表面的圓形黑色標識點，該磁針是按需要選購的市購產品；所述三路氣體MEMS流量芯片，由三片MEMS流量芯片構成三維垂直結構，當測風儀正面向北放置時，三片MEMS流量芯片的位置分別為平行于地平面與磁子午線平行、平行于地平面與磁子午線垂直、垂直于地平面；MEMS流量芯片內部含有微熱源，在恒流源電路的作用下保持在一個恒定的溫度上，使得該芯片上方的空間形成確定的溫度場，當空氣以不同的速度流過該芯片時，溫度場也將發生不同的變化，則該芯片上的溫度傳感器即測得此變化，并將所測溫度值傳遞給多通道A/D采集電路；所述恒流源電路，由恒流源芯片、控制線組成。其間關系是單片機通過控制線對恒流源芯片進行開關控制，從而使得恒流源芯片對MEMS流量芯片內部的微熱源進行穩定、精確的加熱，能夠保持微熱源在某一給定溫度上；該控制線是單根普通導線；所述多通道A/D采集電路，由模擬開關、精密電壓轉換電路和A/D轉換芯片組成，模擬開關用于通道選擇，單片機通過控制模擬開關循環選通三路氣體MEMS流量芯片，分時進行數據采集；精密電壓轉換電路將電源電壓轉換為A/D轉換芯片所需的電源電壓，為A/D轉換芯片提供精確穩定的參考電壓；A/D轉換芯片將輸入的模擬電壓量即溫度信號轉換為數字量輸出，提供給單片機處理。該精密電壓轉換電路由芯片LT1790BC96及濾波電容組成，其間相互連接；所述溫濕度測量模塊，由溫度傳感器DS18B20芯片、濕度傳感器DHTll芯片組成，兩者之間互相獨立，并行工作，輸出數據給單片機；其中，溫度傳感器DS18B20將溫度信號轉換為數字信號格式，傳遞到單片機中進行處理；濕度傳感器DHTll則將當前濕度值轉為數字信號，傳遞給單片機進行處理，測得當前的溫濕度值，用于風速計算時作數據修正，提高風速測量的精確度；所述單片機，為整個電路的處理器，其功能是，控制恒流源電路的通斷，選通多通道A/D 采集電路，接收A/D轉換芯片的輸出信號，計算出溫度變化曲線所對應的風速值，并接收溫濕度測量模塊的輸出信號，對風速值進行溫濕度修正，最后將最終的空間風速矢量值輸出給液晶屏和標準通訊模塊；所述液晶顯示模塊，由液晶屏、液晶控制器和排線組成，排線包括數據線、控制信號線， 連接單片機與液晶控制器，通過液晶控制器的譯碼，單片機發送指令及數據控制液晶屏的輸出；液晶顯示模塊，可以實時顯示風速變化曲線、溫濕度、風向參數，效果清晰、直觀；所述標準通訊模塊，由GPRS無線模塊、USB通訊接口組成，其之間相互獨立，并行工作； GPRS無線通訊模塊，傳輸距離遠，通訊穩定性高，可實現風速、風向數據的實時、無線傳輸， 以便利地提供數據給測風單位使用；USB通訊接口標準，傳輸數據穩定、快速，使用便捷。
2.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該三路氣體 MEMS流量芯片的型號為Posifa Flow Sensor。
3.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該恒流源芯片是 LT3092。
4.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該模擬開關是芯片 ADG734。
5.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該A/D轉換芯片是 AD7699。
6.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該單片機的型號是 MSP430F2471。
7.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該液晶屏的型號是 DT24064。
8.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該液晶控制器的型號是T6963。
9.根據權利要求1所述的一種便攜式高精度三維測風儀，其特征在于該排線的規格是2. 54mm間距20針的灰排線。
全文摘要
一種便攜式高精度三維測風儀，它是由指南針定位裝置、三路MEMS氣體流量芯片、恒流源電路、多通道A/D采集電路、溫濕度測量模塊、單片機、液晶顯示模塊和標準通訊模塊組成，指南針定位裝置安裝于測風儀表面，指示儀器所處的方位；三路MEMS氣體流量芯片成三維垂直結構，固定于測風儀表面；恒流源電路連接三路MEMS氣體流量芯片，為其提供精確穩定的電流；三路MEMS氣體流量芯片的輸出送入多通道A/D采集電路；多通道A/D采集電路的輸出送入單片機中；溫濕度測量模塊的輸出送入單片機中；單片機的輸出連接到液晶顯示模塊以及標準通訊模塊；本發明體積小、重量輕，既實現了寬范圍、高精度的風速測量，又大幅度節約了制造成本。
文檔編號G01P13/02GK102288777SQ201110174330
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者焦嬌, 錢政, 陳妮亞 申請人:北京航空航天大學