第３７卷第３期
２０１５年Ｏ６月 压电与声光
ＰＩＥＺ０ＥＩ ＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ Ｖ０１．３７ Ｎｏ．３
Ｊｕｎｅ ２０１５ 文章编号：１００４—２４７４（２０１５）０３—０４６８—０５
基于超声波风速风向测速算法研究
帅师师 ，王 露 ，方 鑫 ，陈 洋 ，刘 泽
（１．中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆４０００６０；２：重庆邮电大学光电工程学院，重庆４０００６５） 摘要：超声波在空气中传播时，顺风与逆风时会存在一个速度差。在同等声程下，通常测量风速的方法是相 关法和相位差测量方法。该文通过比较两种方法的优缺点，提出了一种新的改进算法来测风速，将相关法和相位 差算法结合，并通过仿真来验证算法优越性。 关键词：超声波；风速风向；相关法；相位法 中图分类号：ＴＰ２７４．５３ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅ
ＳＨＵＡ１ Ｓｈｉｓｈｉ ，ＷＡＮＧ Ｌｕ ，ＦＡＮＧ Ｘｉｎ ，ＣＨＥＮ Ｙａｎｇ ，ＬＩＵ Ｚｅ （１．２６ｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｄｉｓｓｅｍｉｎａｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ，ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ａ ｓｐｅｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｏｗｎ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｐｗｉｎｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｕｎｄ ｐａｔｈ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｕｓｕａｌｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｔ ｌａｓｔ ｗｅ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｐｈａｓｅ ｍｅｔｈｏｄ
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引言：超声波测速适合作流动物质中含有较多杂质的流体的流速测量，常用方法有多普勒法、频差法和时差法。本文设计了一种基于STC15单片机的超声波测速系统，与传统的STC89C51单片机相比，STC15在此基础上增加了更多的外设资源，速度有所提升，它内部集成了RC振荡器和复位电路，因此不需要外部晶振和复位电路就能稳定工作。于是利用STC15单片机设计的超声波测速系统具有精确度高、距离远和成本低等优点。 1.概述超声波是一种高于2×104Hz的机械波，具有聚束、定向、及反射、透射等特性。随着单片机、嵌入式和传感器技术的快速发展，各种超声波技术被广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个部门的超（约为340.4m/s）来计算物体间的距离（s）。具体公式如下：但是需要注意的一点是超声波在空气中传播时易受温度的影响。3.超声波测距系统电路设计3.1 超声波发送模块电路的设计超声波发射电路是由MAX232作为核心来驱动超声波发生器，实现对超声波信号控制。并且在电路中加入了一个NPN型三极管作为MAX232的开关电路，这样可以大大降低发射电路的能耗。在电路中的单片机系统中还加入电源指示灯来显示电路的工作状态。在与外部电源连接时加入了电容滤波来保证电路的稳定性。预留P1.4STC15单片机在超声波测速系统中的应用湖南文理学院计算机与电气工程学院 朱逸鸿 彭 琛徐雅倩 吕志盛
声探伤、超声检测、超声焊接等方面。而超声波测速作为超声波技术中一项重要的应用，它也逐渐渗透到了我们的日常生活中，并且发展愈来愈成熟。超声波测速是一种典型的非接触式检测技术，相比于同类型的雷达检测和激光检测，超声波测速具有精度高、测量距离远、抗干扰能力强、稳定性较高及成本相对较低等诸多优点。在当今自动化智能化高速发展的互联网时代，超声波测速在液位、流量测
量，机器人智能化及其他工业领域有着不可或图1 超声波发射电路缺的地位(兰羽.基于AT89C51 的超声波测速系统设计[J].电子设计工程,2013,21(7))。2.超声波测距电路的基本原理超声波的本质其实是一种声波，但因为其频率高于人耳能识别的频率范围，故而不能被人们听见。但是蝙蝠却可以用超声波在黑暗中飞行，而不与物体相撞。而超声波测距的原理也正基于此。超声波测速的原理主要就是差速法。差速法适用于低速物体，具体步骤是通过测量超声波在两物体间传播的时间，然后将时间乘以超声波传播的速度，从而求出两物体的距离。超声波测距电路就是基于以上原理实现的(李戈,孟祥杰,王晓华等.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学,2011,36(4))。其主要由发射电路和接收电路组成。超声波发射电路通过改变加在超声波发射探头上电压的变化频率来形成超声波的发射（一般在20kHZ以上）。而接收电路往往采用多重滤波的方式得到对应发射频率的波形，从而得到对应发出频率的波形，进而通过发送和接受的时间差值（Δt）乘以超声波的速度口和P1。5口，方便与上位机耦合。电路正常工作时就会产生一个40kHZ的超声波信号。其主要电路图如图1所示。其中网络标号T1，T2输入的是一个频率40kHZ互补的方波，网络标号T_PWR输入的是控制发射电路开启和关闭的信号，其置高是整个个发射电路会开启，此时T1，T2输入信号，就能得到想要的输出信号。其置低时整个发射电路会关闭，就不会消耗功率(郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社,2014.)。3.2 超声波接收模块电路的设计超声波接收电路是以TL074为核心的选频滤波电路。主要作用是对超声波探头接收到的信号进行选频和滤波，从而得到超声波发生器发出的40kHZ的方波。并将其整合后传回单片机。其工作电路图如图2所示。其电路的第一部分为微分电路，第二部分电路为二阶高通滤波电路，主要用于滤除低频信号。第三部分主要是用于微分方程。第四部分主要用于比较电路，将得到的信号进行比较，来得到一个可
超声波在车辆测速中的应用
随着交通系统的发展，越来越多的传感器被应用在交通系统中。其中超声波传感器由于其自身的优点在测距测速中得到了广泛的应用。超声波是频率高于2O kHz的声波，其波长短，方向性好．穿透能力强。它在医学、军事、工业、农业上有很多的应用，可用于测距，测速、测厚、探伤和超声成像等。超声波在空气中传播，遇到障碍物会反射回来，由发射与接收的时间差，可计算发射器到障碍物的距离。与激光测距设备相比，超声波以其方便、简单、成本低等因素被广泛应用于短距离的测量中。
超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测。在交通系统中，利用超声波传感器测距测速有很重要的意义，不仅能采集到交通数据进行状态评估，而且还能有效地避免交通事故的发生。在智能交通系统中，超声波传感器被安装在路边来测量通过车辆的速度，判断是否超速。在无人驾驶智能车上安装超声波传感器，可以自动检测前车的距离，防止追尾事故；同时还可以检测前车的速度，做出是否超车的判断。
测量原理
超声波测距模块到障碍物的距离
S=（△T×V0）/2 (1)
式中：△T为超声波由发射到接受的用时：V0为超声波在空气中的传播速度，且与温度的关系为V0=331.5+0.6T (2)
式中T为环境摄氏温度。根据式（2）进行声速修正可提高测量精度。当超声波传感器静止，被测物体以相对声速低速运动时，假设t1时刻测得被测物体与传感器距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则超声波传感器与被测物体之间的相对速度
V=（s2-s1）/(t2-t1) (3)
当传感器装在车上进行运动测速时，如图1.1所示，假设车A运动速度为V1, 假设t1时刻测得前车B与车A距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则两车相对速度为
△ V=（s2-s1）/(t2-t1)（4）
可以得到车B的速度为V2=V1+△V。
超声波测速题详解（高中运动学）
长庆二中 朱久红
QQ：1046119287
题：如甲图所示是一种速度传感器的工作原理图，在这个系统中W为一个能发射超声波的固定小盒子，工作时小盒子W向被测物体发出短暂的超声波脉冲，脉冲波遇到运动的物体反射后又被W盒接收，从W盒发射超声波开始计时，经时间△t0再次发射超声波脉冲，图乙是连续两次发射的超声波的位移—时间图像，则下列说法正确的是：
Ａ．超声波的速度大于u声 =2X1t1 Ｂ．超声波的速度u声 =2X2t2
Ｃ．物体的平均速度u— =2（x2−x1）t2−t1+2△t0 Ｄ． 物体的平均速度u─＝2（x2−x1)t2−t1+△t0
甲
乙
解析一：小车在发出两次超声波后移动的位移变化△ｘ＝ｘ2－ｘ1，而ｘ1，ｘ2可认为超声波测得（或已知量），只要找到小车通过ｘ所需的时间，根据ｕ＿＝△ｘ△ｔ求出车速。
由题图乙可知，超声波在时间内通过位移为x1，则超声波的速度u声=x1t12=2x1t1,A正确、B错误。
超声波经过ｘ2所用的时间为ｔ2−△ｔ0２，超声波在△ｘ距离内所用的时间为
ｔ2−△ｔ0２−t12，而小车通过△ｘ的距离所用的时间为ｔ2−△ｔ0２−t12+△t0＝12(t2−t1+△t0)，则小车的平均速度ｕ＿＝△ｘ△ｔ＝ｘ2−ｘ112（t2−t1+△t0）＝2（x2−x1)t2−t1+△t0，所以Ｃ错误，Ｄ正确。
解析二：根据题意画出小车运动的对应位置图
O为第一次发射超声波的起点，B为第一次超声波的返回点，单程时间为t12。
A为第一次发射超声波的起点，C为第二次超声波的返回点，单程时间为ｔ2−△ｔ0２。
通过位移OC的时间toc=ｔ2−△ｔ0２+△t0
通过位移OB的时间tOB=t12 则通过BC所需的时间tBC=toc-tOB＝ｔ2−△ｔ0２−t12+△t0
