專利名稱：一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，屬于自動(dòng)化測(cè)量?jī)x表技術(shù)領(lǐng)域，它可用于測(cè)量各種天氣狀況、環(huán)境下的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
(一 )測(cè)風(fēng)儀
背景技術(shù)：
風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量在氣象、體育、民航安全等各個(gè)方面均有著十分重要的意義，由此也衍生出各式各樣的測(cè)風(fēng)儀器，在不同場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。目前常見(jiàn)的低空測(cè)風(fēng)儀主要有以下幾種(1)機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀，如風(fēng)杯式測(cè)風(fēng)儀、風(fēng)葉式測(cè)風(fēng)儀等。機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀通過(guò)活動(dòng)葉片隨著自然風(fēng)的受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度從而計(jì)算風(fēng)速。由于機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀依靠?jī)?nèi)部葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，故存在反應(yīng)速度慢、測(cè)量精度低、容易損壞等缺點(diǎn)，但優(yōu)勢(shì)在于成本低。(2)超聲波測(cè)風(fēng)儀。儀器內(nèi)部的超聲波傳感器通過(guò)正、逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高頻聲能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。由超聲波在兩點(diǎn)間的發(fā)射、接收的時(shí)間差，可計(jì)算出當(dāng)前風(fēng)速值。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的超聲波風(fēng)速儀有一維、二維、三維的差別，隨著測(cè)量維數(shù)的增加，其價(jià)格也隨之更加昂貴，其中三維超聲波測(cè)風(fēng)儀報(bào)價(jià)為10萬(wàn)以上。超聲波測(cè)風(fēng)儀的優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高。(3)多普勒激光測(cè)風(fēng)儀。激光測(cè)風(fēng)系統(tǒng)通常采用IOum和2um波長(zhǎng)的激光對(duì)大氣邊界層內(nèi)的氣溶膠散射信號(hào)進(jìn)行相干探測(cè)，直接得到徑向風(fēng)速的多普勒頻移，進(jìn)而得到風(fēng)速信息。激光測(cè)風(fēng)儀采集信息范圍廣、數(shù)據(jù)精確，但是成本更為高昂，而且體積較大，需要車載移動(dòng)，目前主要用于大型活動(dòng)的氣象探測(cè)，難以推廣。綜上所述，現(xiàn)有測(cè)風(fēng)儀存在如下問(wèn)題1)目前廣泛使用的機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀只能測(cè)出平面風(fēng)速，且有轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，精度低、易損壞，越來(lái)越不能滿足市場(chǎng)的需求。2)高精度的多普勒激光測(cè)風(fēng)儀體積較大，難以滿足需要便攜式測(cè)風(fēng)儀的場(chǎng)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(cè)風(fēng)儀均構(gòu)造復(fù)雜、
造價(jià)高昂。(二)MEMS氣體流量芯片
背景技術(shù)：
MEMS技術(shù)是指在芯片大小的范疇內(nèi)，采用現(xiàn)代加工工藝和材料生長(zhǎng)及合成技術(shù)制造的具有機(jī)械、電子及其他物理特性的微系統(tǒng)，由于其主要工藝是構(gòu)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(shù)制造的用于測(cè)量氣體流量的芯片。便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)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(zhì)量流量計(jì)。MEMS氣體流量芯片中包含一個(gè)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(huán)境溫度之間的溫差，在芯片周圍形成固定的溫度場(chǎng)分布。如果流通過(guò)芯片表面的氣體是單向流動(dòng)，則氣體流過(guò)芯片時(shí)將帶走熱量，使得芯片的溫度場(chǎng)發(fā)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(guò)測(cè)量傳感器上的溫度場(chǎng)的變化，即可得出流經(jīng)芯片的氣體流速(質(zhì)量流量)。目前MEMS氣體流量芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣體流量計(jì)，有著近20年的產(chǎn)品歷史，并可達(dá)到0. 5%的高測(cè)量精度，是一種微型、高精度、可靠性高的流量測(cè)量產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決的問(wèn)題是使用MEMS氣體流量測(cè)量芯片，設(shè)計(jì)高精度的AD采集電路，并依托單片機(jī)(Micro Processor)實(shí)現(xiàn)多通道采集、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)方案，以最終用于計(jì)算風(fēng)速。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)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(cè)量模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊、標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊組成。它們之間的位置連接關(guān)系是指南針定位裝置安裝于測(cè)風(fēng)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(jié)構(gòu)，固定于測(cè)風(fēng)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(wěn)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(jī)中；溫濕度測(cè)量模塊的輸出送入單片機(jī)中；單片機(jī)的輸出連接到液晶顯示模塊以及標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊。所述指南針定位裝置，由測(cè)風(fēng)儀上固定位置的標(biāo)識(shí)(正北方向點(diǎn))和一根裝在軸上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針組成，兩者之間的關(guān)系是磁針在地磁場(chǎng)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(dāng)用戶使用測(cè)風(fēng)儀時(shí)，調(diào)整測(cè)風(fēng)儀的方向，使得磁針的北極指針(N)指在風(fēng)速儀的正北方向點(diǎn)上，從而測(cè)風(fēng)儀正面向北，其本身的方位可確定。該固定位置的標(biāo)識(shí)是測(cè)風(fēng)儀表面的圓形黑色標(biāo)識(shí)點(diǎn)；該磁針是按需要選購(gòu)的市購(gòu)產(chǎn)品。所述三路氣體MEMS流量芯片，由三片MEMS流量芯片構(gòu)成三維垂直結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)風(fēng)儀正面向北放置時(shí)(磁針的北極指針指在測(cè)風(fēng)儀的正北方向點(diǎn)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(nèi)部含有微熱源，在恒流源電路的作用下保持在一個(gè)恒定的溫度上，使得該芯片上方的空間形成確定的溫度場(chǎng)，當(dāng)空氣以不同的速度流過(guò)該芯片時(shí)，溫度場(chǎng)也將發(fā)生不同的變化，則該芯片上的溫度傳感器即可測(cè)得此變化，并將所測(cè)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(gòu)的市購(gòu)產(chǎn)品。所述恒流源電路，由恒流源芯片、控制線組成。其間關(guān)系是單片機(jī)通過(guò)控制線對(duì)恒流源芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，從而使得恒流源芯片對(duì)MEMS流量芯片內(nèi)部的微熱源進(jìn)行穩(wěn)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(dǎo)線。所述多通道A/D采集電路，由模擬開(kāi)關(guān)、精密電壓轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片組成， 三者之間的關(guān)系是模擬開(kāi)關(guān)用于通道選擇，單片機(jī)通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)循環(huán)選通三路氣體 MEMS流量芯片，分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；精密電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的電源電壓，為A/D轉(zhuǎn)換芯片提供精確穩(wěn)定的參考電壓；A/D轉(zhuǎn)換芯片將輸入的模擬電壓量(溫度信號(hào))轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，提供給單片機(jī)處理。該精密電壓轉(zhuǎn)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(cè)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(guān)系是互相獨(dú)立，并行工作，輸出數(shù)據(jù)給單片機(jī)；其中，溫度傳感器DS18B20可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)格式，傳遞到單片機(jī)中進(jìn)行處理；濕度傳感器DHTll則將當(dāng)前濕度值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。測(cè)得當(dāng)前的溫濕度值，用于風(fēng)速計(jì)算時(shí)作數(shù)據(jù)修正，提高風(fēng)速測(cè)量的精確度。所述單片機(jī)，為整個(gè)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(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)，計(jì)算出溫度變化曲線所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值，并接收溫濕度測(cè)量模塊的輸出信號(hào)，對(duì)風(fēng)速值進(jìn)行溫濕度修正，最后將最終的空間風(fēng)速矢量值輸出給液晶屏、標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系是排線包括數(shù)據(jù)線、控制信號(hào)線，連接單片機(jī)與液晶控制器，通過(guò)液晶控制器的譯碼，單片機(jī)發(fā)送指令及數(shù)據(jù)控制液晶屏的輸出。液晶顯示模塊，可以實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速變化曲線、溫濕度、風(fēng)向等參數(shù)，效果清晰、直觀。所述標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，由GPRS無(wú)線模塊、USB通訊接口組成。其間關(guān)系是是相互獨(dú)立，并行工作；GPRS無(wú)線通訊模塊，傳輸距離遠(yuǎn)，通訊穩(wěn)定性高，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、無(wú)線傳輸，以便利地提供數(shù)據(jù)給測(cè)風(fēng)單位使用；USB通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速，使用便捷。其中，該三路氣體MEMS流量芯片的型號(hào)為Posifa Flow Sensor ；其中，該恒流源芯片是LT3092 ；其中，該模擬開(kāi)關(guān)是芯片ADG734 ；其中，該A/D轉(zhuǎn)換芯片是AD7699 ；其中，該單片機(jī)的型號(hào)是MSP430F2471 ；其中，該液晶屏的型號(hào)是DT24064 ；其中，該液晶控制器的型號(hào)是T6963 ；其中，該排線的規(guī)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(biāo)識(shí)測(cè)風(fēng)儀裝置當(dāng)前的方位，令用戶按儀器上的指示調(diào)整測(cè)風(fēng)儀的方位，使得指南針的北向指針指在測(cè)風(fēng)儀的正北方向點(diǎn)上，此時(shí)測(cè)風(fēng)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(dāng)測(cè)風(fēng)儀正面向北放置時(shí)， 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(nèi)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(duì)三路MEMS流量芯片進(jìn)行循環(huán)選通、數(shù)據(jù)采集，將芯片內(nèi)部溫度傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸出給單片機(jī)；單片機(jī)讀入多通道A/D采集電路輸出的風(fēng)速信號(hào)，并由最小二乘擬合法進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算出各方向上的風(fēng)速值并進(jìn)行矢量合成，得到風(fēng)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(hào)，對(duì)風(fēng)速值進(jìn)行溫濕度修正，給出最終的風(fēng)速值； 單片機(jī)將所計(jì)算出的風(fēng)速、溫、濕度值輸出給液晶顯示模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；用戶還可以按需要，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊(GPRS通訊模塊或USB接口)將所測(cè)得的風(fēng)速值、溫、濕度等值進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、傳輸。
本發(fā)明的思想是由于風(fēng)是在三維空間中產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)的，所以準(zhǔn)確的風(fēng)速測(cè)量應(yīng)測(cè)出風(fēng)的三維矢量值，由此，設(shè)計(jì)三維的測(cè)風(fēng)儀結(jié)構(gòu)，使得在X、y、Z三個(gè)方向上的風(fēng)速值均測(cè)出，進(jìn)行合成后即可得到準(zhǔn)確的風(fēng)速值。確定傳感器安裝結(jié)構(gòu)后，使用模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)三路傳感器的控制、選通、電路切換。然后將采集到的信號(hào)輸入單片機(jī)中，并進(jìn)行信號(hào)處理算法， 計(jì)算出風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)整套寬范圍、高精度的測(cè)風(fēng)儀。測(cè)風(fēng)儀上采用液晶實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速曲線和風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，且數(shù)據(jù)可通過(guò)GPRS無(wú)線模塊、USB接口進(jìn)行通訊。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了基于MEMS氣體流量芯片的三維測(cè)風(fēng)儀，體積小、重量輕，十分便攜，而且既實(shí)現(xiàn)了寬范圍、高精度的風(fēng)速測(cè)量，又大幅度節(jié)約了制造成本。其具有以下優(yōu)點(diǎn)1)整個(gè)電路輕便、微型，易于攜帶，適用于移動(dòng)的野外作業(yè)；2)設(shè)計(jì)的三維測(cè)風(fēng)結(jié)構(gòu)，使用三路傳感器對(duì)風(fēng)速在空間x、y、z軸方向的分量均進(jìn)行測(cè)量，可測(cè)出真實(shí)的三維風(fēng)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(cè)風(fēng)范圍和精度，對(duì)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(shí)時(shí)性要求。5)GPRS通訊模塊，實(shí)現(xiàn)了使用者的遠(yuǎn)距離測(cè)量、采集數(shù)據(jù)，方便了測(cè)風(fēng)儀的使用。


圖1為測(cè)風(fēng)儀的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為測(cè)風(fēng)儀的電路總體結(jié)構(gòu)圖。圖3為單片機(jī)的主程序流程圖。
具體實(shí)施例方式一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)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(cè)量模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊、標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊組成。它們之間的位置連接關(guān)系是指南針定位裝置安裝于測(cè)風(fēng)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(jié)構(gòu)，固定于測(cè)風(fēng)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(wěn)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(jī)中；溫濕度測(cè)量模塊的輸出送入單片機(jī)中；單片機(jī)的輸出連接到液晶顯示模塊以及標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊。測(cè)風(fēng)儀的整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，單片機(jī)主程序流程圖如圖3所示。所述指南針定位裝置，由測(cè)風(fēng)儀上固定位置的標(biāo)識(shí)(正北方向點(diǎn))，和一根裝在軸上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針組成，磁針在地磁場(chǎng)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(dāng)用戶使用測(cè)風(fēng)儀時(shí)，調(diào)整測(cè)風(fēng)儀的方向，使得磁針的北極指針(N)指在風(fēng)速儀的正北方向點(diǎn)上，從而測(cè)風(fēng)儀正面向北，其本身的方位可確定。該固定位置的標(biāo)識(shí)是測(cè)風(fēng)儀表面的圓形黑色標(biāo)識(shí)點(diǎn)；該磁針是按需要選購(gòu)的市購(gòu)產(chǎn)品。所述三路氣體MEMS流量芯片，由三片MEMS流量芯片構(gòu)成三維垂直結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)風(fēng)儀正面向北放置時(shí)(磁針的北極指針指在測(cè)風(fēng)儀的正北方向點(diǎn)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(nèi)部含有微熱源，在恒流源的作用下保持在一個(gè)恒定的溫度上，使得該芯片上方的空間形成確定的溫度場(chǎng)，當(dāng)空氣以不同的速度流過(guò)芯片時(shí)，溫度場(chǎng)也將發(fā)生不同的變化，則該芯片上的溫度傳感器即可測(cè)得此變化，并將所測(cè)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(gòu)的市購(gòu)產(chǎn)品。具體型號(hào)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(guān)系是是單片機(jī)通過(guò)控制線對(duì)恒流源芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，從而使得恒流源芯片對(duì)MEMS流量芯片內(nèi)部的微熱源進(jìn)行穩(wěn)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(dǎo)線。所述多通道A/D采集電路，由模擬開(kāi)關(guān)、精密電壓轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片組成， 其中模擬開(kāi)關(guān)用于通道選擇，單片機(jī)通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)循環(huán)選通三路MEMS流量芯片，分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；精密電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的電源電壓，為A/ D轉(zhuǎn)換提供精確穩(wěn)定的參考電壓；A/D轉(zhuǎn)換芯片將輸入的模擬電壓量(溫度信號(hào))轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，提供給單片機(jī)處理。該模擬開(kāi)關(guān)是芯片ADG734 ；該精密電壓轉(zhuǎn)換電路由芯片 LT1790BC96及濾波電容組成；該A/D轉(zhuǎn)換芯片是AD7699。所述溫濕度測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)格式，通過(guò)單總線傳遞到單片機(jī)中進(jìn)行處理；濕度傳感器DHTll則將當(dāng)前濕度值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。測(cè)得當(dāng)前的溫濕度值，用于風(fēng)速計(jì)算時(shí)作數(shù)據(jù)修正，提高風(fēng)速測(cè)量的精確度。所述單片機(jī)，為整個(gè)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(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)，計(jì)算出溫度變化曲線所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值，并接收溫濕度測(cè)量模塊的輸出信號(hào)，對(duì)風(fēng)速值進(jìn)行溫濕度修正，最后將最終的空間風(fēng)速矢量值輸出給液晶屏、通訊模塊。該單片機(jī)的型號(hào)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(shù)據(jù)線、控制信號(hào)線，連接單片機(jī)與液晶控制器，通過(guò)液晶控制器的譯碼，單片機(jī)發(fā)送指令及數(shù)據(jù)控制液晶屏的輸出。液晶顯示模塊，可以實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速變化曲線、溫濕度、風(fēng)向等參數(shù)，效果清晰、直觀。該液晶屏的型號(hào)是DT24064 ；該液晶控制器的型號(hào)是T6963 ；該排線的規(guī)格是 2. 54mm間距20針的灰排線。所述標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，由GPRS無(wú)線模塊、USB通訊接口組成。GPRS無(wú)線通訊模塊，傳輸距離遠(yuǎn)，通訊穩(wěn)定性高，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、無(wú)線傳輸，以便利地提供數(shù)據(jù)給測(cè)風(fēng)單位使用；USB通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速，使用便捷。如圖1所示，便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)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(cè)量風(fēng)速的空間矢量值。在風(fēng)速儀上標(biāo)注正北方向點(diǎn)，用戶使用時(shí)，按適當(dāng)方位放置風(fēng)速儀，使得指南針的北向指針(N)指在風(fēng)速儀的正北方向點(diǎn)上， 如此，則風(fēng)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(shí)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(cè)得其所在位置上的風(fēng)速值，并進(jìn)行合成，即可得到確定方向、確定數(shù)值的空間風(fēng)速矢量值。如圖2所示，便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，以空間三個(gè)垂直方向上的流量傳感器為系統(tǒng)輸入。本發(fā)明的具體方法為首先對(duì)流量傳感器施加恒定電流，加熱傳感器內(nèi)的電阻絲，并保持其穩(wěn)定在某一恒定溫度上；之后循環(huán)切換三個(gè)MEMS氣體流量芯片的溫度測(cè)量通道，對(duì)芯片內(nèi)部溫度傳感器的數(shù)值進(jìn)行快速的采集，并進(jìn)行高精度A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)中；給出三組傳感器的溫度變化曲線，并結(jié)合當(dāng)前的環(huán)境溫、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，之后進(jìn)行三維合成，最終計(jì)算出當(dāng)前的空間矢量風(fēng)速值。計(jì)算出的風(fēng)速值、溫度曲線等數(shù)據(jù)可進(jìn)行液晶顯示，或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口送入上位機(jī)或其他指定設(shè)備。 如圖3所示，單片機(jī)主程序流程，完成初始化后，即進(jìn)入流量數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)包括選通恒流源對(duì)芯片內(nèi)部微熱源進(jìn)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(nèi)部溫度傳感器的數(shù)據(jù)；讀取經(jīng)過(guò)高精度A/D后的溫度數(shù)據(jù)；之后采集當(dāng)前的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)；由最小二乘法擬合MEMS氣體流量芯片內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化曲線，并經(jīng)過(guò)溫濕度修正后，將三個(gè)方向上的風(fēng)速值進(jìn)行矢量合成，最終得到精確的風(fēng)速值；將風(fēng)速值、溫濕度值顯示在液晶屏上，并繪出風(fēng)速變化曲線。重復(fù)以上過(guò)程。
權(quán)利要求
1. 一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)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(cè)量模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊和標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊組成，指南針定位裝置安裝于測(cè)風(fēng)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(jié)構(gòu)，固定于測(cè)風(fēng)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(wěn)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(jī)中；溫濕度測(cè)量模塊的輸出送入單片機(jī)中；單片機(jī)的輸出連接到液晶顯示模塊以及標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊；所述指南針定位裝置，由測(cè)風(fēng)儀上固定位置的標(biāo)識(shí)即正北方向點(diǎn)和一根裝在軸上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針組成，磁針在地磁場(chǎng)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(dāng)用戶使用測(cè)風(fēng)儀時(shí)，調(diào)整測(cè)風(fēng)儀的方向，使得磁針的北極指針N指在風(fēng)速儀的正北方向點(diǎn)上，從而測(cè)風(fēng)儀正面向北，其本身的方位確定；該固定位置的標(biāo)識(shí)是測(cè)風(fēng)儀表面的圓形黑色標(biāo)識(shí)點(diǎn)，該磁針是按需要選購(gòu)的市購(gòu)產(chǎn)品；所述三路氣體MEMS流量芯片，由三片MEMS流量芯片構(gòu)成三維垂直結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)風(fēng)儀正面向北放置時(shí)，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(nèi)部含有微熱源，在恒流源電路的作用下保持在一個(gè)恒定的溫度上，使得該芯片上方的空間形成確定的溫度場(chǎng)，當(dāng)空氣以不同的速度流過(guò)該芯片時(shí)，溫度場(chǎng)也將發(fā)生不同的變化，則該芯片上的溫度傳感器即測(cè)得此變化，并將所測(cè)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(guān)系是單片機(jī)通過(guò)控制線對(duì)恒流源芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，從而使得恒流源芯片對(duì)MEMS流量芯片內(nèi)部的微熱源進(jìn)行穩(wěn)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(dǎo)線；所述多通道A/D采集電路，由模擬開(kāi)關(guān)、精密電壓轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換芯片組成，模擬開(kāi)關(guān)用于通道選擇，單片機(jī)通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)循環(huán)選通三路氣體MEMS流量芯片，分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；精密電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的電源電壓，為A/D轉(zhuǎn)換芯片提供精確穩(wěn)定的參考電壓；A/D轉(zhuǎn)換芯片將輸入的模擬電壓量即溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，提供給單片機(jī)處理。該精密電壓轉(zhuǎn)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(cè)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(dú)立，并行工作，輸出數(shù)據(jù)給單片機(jī)；其中，溫度傳感器DS18B20將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)格式，傳遞到單片機(jī)中進(jìn)行處理；濕度傳感器DHTll則將當(dāng)前濕度值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，測(cè)得當(dāng)前的溫濕度值，用于風(fēng)速計(jì)算時(shí)作數(shù)據(jù)修正，提高風(fēng)速測(cè)量的精確度；所述單片機(jī)，為整個(gè)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(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)，計(jì)算出溫度變化曲線所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值，并接收溫濕度測(cè)量模塊的輸出信號(hào)，對(duì)風(fēng)速值進(jìn)行溫濕度修正，最后將最終的空間風(fēng)速矢量值輸出給液晶屏和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)線、控制信號(hào)線， 連接單片機(jī)與液晶控制器，通過(guò)液晶控制器的譯碼，單片機(jī)發(fā)送指令及數(shù)據(jù)控制液晶屏的輸出；液晶顯示模塊，可以實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速變化曲線、溫濕度、風(fēng)向參數(shù)，效果清晰、直觀；所述標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，由GPRS無(wú)線模塊、USB通訊接口組成，其之間相互獨(dú)立，并行工作； GPRS無(wú)線通訊模塊，傳輸距離遠(yuǎn)，通訊穩(wěn)定性高，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、無(wú)線傳輸， 以便利地提供數(shù)據(jù)給測(cè)風(fēng)單位使用；USB通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速，使用便捷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該三路氣體 MEMS流量芯片的型號(hào)為Posifa Flow Sensor。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該恒流源芯片是 LT3092。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該模擬開(kāi)關(guān)是芯片 ADG734。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該A/D轉(zhuǎn)換芯片是 AD7699。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該單片機(jī)的型號(hào)是 MSP430F2471。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該液晶屏的型號(hào)是 DT24064。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該液晶控制器的型號(hào)是T6963。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式高精度三維測(cè)風(fēng)儀，其特征在于該排線的規(guī)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(cè)風(fēng)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(cè)量模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊和標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊組成，指南針定位裝置安裝于測(cè)風(fēng)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(jié)構(gòu)，固定于測(cè)風(fēng)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(wěn)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(jī)中；溫濕度測(cè)量模塊的輸出送入單片機(jī)中；單片機(jī)的輸出連接到液晶顯示模塊以及標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊；本發(fā)明體積小、重量輕，既實(shí)現(xiàn)了寬范圍、高精度的風(fēng)速測(cè)量，又大幅度節(jié)約了制造成本。
文檔編號(hào)G01P13/02GK102288777SQ201110174330
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者焦嬌, 錢政, 陳妮亞 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)