基于STM32F103ZET6的二维超声波风速测量 系统设计
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计一、本文概述超声波测距技术因其非接触、高精度、实时性强等特点，在机器人导航、车辆避障、工业测量等领域得到了广泛应用。
STM32单片机作为一种高性能、低功耗的嵌入式系统核心，为超声波测距系统的设计提供了强大的硬件支持。
本文旨在设计一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统，以满足不同应用场景的需求。
二、超声波测距原理本部分将介绍超声波测距的基本原理，包括超声波的产生、传播、接收以及距离的计算方法。
同时，分析影响超声波测距精度的主要因素，为后续系统设计提供理论基础。
三、系统硬件设计3、1在设计基于STM32单片机的高精度超声波测距系统时，我们遵循了“精确测量、稳定传输、易于扩展”的总体设计思路。
我们选用了STM32系列单片机作为系统的核心控制器，利用其强大的处理能力和丰富的外设接口，实现了对超声波发射和接收的精确控制。
在具体设计中，我们采用了回波测距法，即发射超声波并检测其回波，通过测量发射与接收之间的时间差来计算距离。
这种方法对硬件的精度和稳定性要求很高，因此我们选用了高精度的超声波传感器和计时器，以确保测量结果的准确性。
我们还考虑到了系统的可扩展性。
通过STM32的串口通信功能，我们可以将测量数据上传至计算机或其他设备进行分析和处理，为后续的应用开发提供了便利。
我们还预留了多个IO接口，以便在需要时添加更多的传感器或功能模块。
本系统的设计思路是在保证精度的前提下，实现稳定、可靠的超声波测距功能，并兼顾系统的可扩展性和易用性。
31、1.1随着物联网、机器人技术和自动化控制的快速发展，精确的距离测量技术在各个领域的应用越来越广泛。
超声波测距技术作为一种非接触式的距离测量方式，因其具有测量精度高、稳定性好、成本相对较低等优点，在工业自动化、智能家居、机器人导航、安防监控等领域得到了广泛应用。
STM32单片机作为一款高性价比、低功耗、高性能的嵌入式微控制器，在智能设备开发中占据重要地位。
基于STM32可视化倒车雷达的设计
基于STM32可视化倒车雷达的设计摘要为有效地解决驾驶员停车及泊车所面临视野盲区的困扰，提高驾驶安全系数。
本文设计了一种基于STM32可视化倒车雷达的预警系统，该系统成本低、经济实用，是一种很人性化的设计。
倒车雷达又叫超声波倒车防撞系统。
该系统核心是利用超声波技术测距，驾驶员倒车时系统能自动检测与障碍物的距离，并在LCD 上实时显示出来，当车辆与障碍物距离超出预先设定的范围，系统就会语音提示驾驶员作出正确的判断。
实验结果表明：该系统能够及时预警，可降低交通事故的发生。
关键词STM32/超声波测距/LCD显示/语音提示Design Of VisualReversing Radar Based On STM32ABSTRACTIn order to effectively solve the driver parking and parking to face the vision of the blind area, and improve driving safety.This paper designs a visual reversing radar warning system based on STM32, the system is low cost, economical and practical, is a very user-friendly design.The reversing radar is also called ultrasonic reversing anti-collsion system. The core of the system is the use of ultrasonic ranging technology, when the driver backs up, the system can automatically detect the distance with obstacles, and display it on LCD in real time, When the distance between the vehicle and the obstacle exceeds the preset range, the system will voice prompt the driver to make a correct judgment. Experimental results show that the system can give early warning, and reduce the occurrence of traffic accidents.KEY WORDS STM32, ultrasonic distance measurement, LCD display, voice prompt目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (3)1.1 课题的背景及意义 (3)1.2 论文研究内容 (3)2 可视化倒车雷达系统 (4)2.1 倒车雷达系统构成及原理 (4)2.2 倒车雷达的发展历程 (4)3 基于STM32倒车雷达硬件电路设计 (6)3.1 基于STM32倒车雷达硬件总体结构 (6)3.2 STM32F103ZET6单片机 (6)3.2.1 STM32F103ZET6单片机结构 (6)3.2.2引脚定义及功能 (7)3.3超声波测距电路模块 (8)3.3.1 超声波测距功能及原理 (8)3.3.2 超声波发射电路 (8)3.3.3 超声波接收电路 (9)3.4 LCD显示电路 (10)3.4.1 LCD显示模块引脚及功能 (10)3.4.2 STM32与LCD显示电路的接口电路 (11)3.5 报警电路 (11)3.5.1 蜂鸣器 (11)3.5.2 STM32与蜂鸣器的接口电路 (12)3.6 OV7670图像传感器 (12)3.6.1 OV7670模块引脚及功能 (12)3.6.2 STM32与OV7670模块的接口电路 (14)4 基于STM32倒车雷达的软件设计 (14)4.1 软件开发环境 (14)4.2 软件设计流程 (15)5.安装与调试 (18)5.1 硬件调试 (18)5.2 软件调试 (18)5.3 实验误差分析 (19)总结 (21)致谢 (22)参考文献 (23)附录 (24)1 绪论1.1 课题的背景及意义在这个高速发展的时代，各式各样的交通工具已经成为人们出行不可缺少的一部分。
基于STM32的嵌入式PLC的设计
本系 统是 在对 三菱 ＦＸ系列ＰＬＣ的充分 研 究其硬 件 结构 和工 作原 理 的基 础 上 设计 的 嵌入 式ＰＬＣ。选 用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６为核 心 处理 器 ，最 高达７２ＭＨｚ的时钟 速度 ，１．２５ＤＭｉｐｓ／ＭＨｚ，５ｌ２Ｋ字 节 的 闪存 程序 存储 器 ，６４ＫＢ ＲＡＭ ，ＬＱＦＰ一１４４脚封 装，还有 其他 模 块 电路辅 助完 成 相应 的功 能 】。嵌 入 式ＰＬＣ系 统 搭建 的硬件 电路 框架 图如 图 １所示 。采用 Ｒｓ２３２和 Ｒｓ４８５通 信协 议 ，不 仅可 以用 于程 序 下载 ，而 且可 以用 于基 本数 据 的访 问。
当 梯 形 图程 序 下载 时 ，嵌 入 式 ＰＬＣ会 完成 与上 位 机 的 相 互 识 别 ，等 待程 序下 载 到嵌 入式 系统 中，然 后把 程序 写入 到嵌 入 式ＰＬＣ 中 。此 时 ，嵌入 式 ＰＬＣ需要 对接 收 的数据 进行 处 理 ，校验 完后 对错 误 的数据信 息 删除 ，之 后对操 作码 和操 作数 的数据 存 储起来 。 ３．２ 梯 形图 程序 的解释 执 行
１ 引言
采 用嵌 入 式ＰＬＣ的方 式 去设 计 系统 ， 能够 提高 开 发速 度 ，对 于 用户 的 个性 化 需求 可 以进 行 灵活 的设 计 ，这样 就 可 以达 到 定制 的效 果Ⅲ。 同时 ，也 可 以增 强 小型 控制 系 统 的设计 和 应用 能 力 ，更 贴近 客 户需 求 的个性 差 异化 设计 要求 。用 户可 以 自己选 择 合适 的硬 件来 组成 满足 要求 的嵌 入式 ＰＬＣ。
嵌入 式 ＰＬＣ工 作 于梯 形 图程 序 解 释 执行 时 ， 需要 Ｍｅｍｏｒｙ的初 始化 ，Ｉ／０的初 始化 和 中断 的初始 化 ，然后 载入ｘ值 ，将输 入值 映像 到 寄存器 中 ，即 输入 扫描 ，接 着进 行指 令执 行 ，对每 一条 指令 进行 判 断，判 断该 指令 是否 是ＥＮＤ指令 ，如 果不 是 ，则要 对每 一条 指令 进行 解释 执行 ，解 释执 行 完 当前指 令后 继续 取 下一条 指令 并解 释执 行 ，如此循 环 不断 。如 果是 ，则进 入输 出刷 新 ，输 出Ｙ值 。
基于STM32的铯光泵磁力仪数据采集系统
基于STM32的铯光泵磁力仪数据采集系统彭俊杰;陈永泰【摘要】文中针对铯光泵磁力仪,设计了一种基于STM32F103ZET6处理器和现场可编辑门阵列(FP-GA)的数据采集系统,实现了对输出信号采集后的高精度测量,并且利用传感器实现了对铯光泵磁力仪的探头姿态检测.文中简要介绍了铯光泵磁力仪的基本原理和系统结构.重点针对数据采集系统的要求,介绍了该系统软件设计思路和具体细节.经过实验验证,系统样机基本工作状态良好,达到设计要求.%Aiming at cesium optical-pump magnetometer, a data acquisition system based on STM32F103ZET6 and FPGA was designed, which realized high precision measurement of the output signal and attitude detection of magnetometer probe by u-sing a sensor . Cesium optical-pump magnetometer measurement principle and system circuit structure were briefly introduced firstly. Then the requirements for the data acquisition system was focused on and how to design the various modules of the circuit was introduced. After that ,the ideas of system software design was analyzed and described in detail .The results show that the da-ta acquisition system is in good working order and can meet design requirements well.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】4页(P75-78)【关键词】铯光泵;磁力仪;数据采集;传感器;姿态检测;高精度【作者】彭俊杰;陈永泰【作者单位】武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉 430070;武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉 430070【正文语种】中文【中图分类】TP216微弱磁场测量在海洋、航空等领域应用广泛[1]。
基于STM32的热敏电阻分压式测温系统设计
1 引言
随着医疗行业的发展，越来越多的制冷制热设 备运用于医疗行业。医用超低温冰箱对冷柜的环 温、冷凝器探头温度、换热器探头温度及柜温探头 温度的要求都很高。测温电路是这些设备的基本 组成部分，其精度和分辨率不但决定一个产品的温 控水平，而且是实现智能温控的一个必要前提。基 于 NTC 热敏电阻的分压式测温系统设计，其软硬件 简单、成本低、测温精度高的热敏电阻测温模块设 计，经实际测量实验，这种设计方案在整个测温范
摘 要 NTC 热敏电阻是一种负温度系数的温度传感器，并在测温系统中广泛应用。该系统以 STM32F103ZET6 微控 制器为核心，通过热敏电阻分压来测量系统的温度，具有精度高、分辨率高、体积小、响应速度快、成本低、功耗低等特点，数 据处理基于对热敏电阻测温曲线的分段线性化、分段线性插值处理，提高了测量精度。所设计的测温模块对-50℃～100℃ 范围内的温度进行了实测，效果良好。
∗ 收稿日期：2017 年 10 月 6 日，修回日期：2017 年 11 月 25 日 作者简介：董晓宇，女，硕士研究生，研究方向：电子与通信。孟海彦，男，硕士研究生，研究方向：电子信息、测控技 术。孔令布，男，硕士研究生，研究方向：电子信息、传感器。
2018 年第 4 期
计算机与数字工程
847
由图 3 曲线可清楚的看出热敏电阻阻值随温 度的变化为负温度系数。
图 2 跳线帽跨接电路图
2.2 影响热敏电阻阻值测量精度的主要因素
热敏电阻阻值获取的精度是影响模块测温精
基于stm32的红外遥控风扇设计毕业论文
毕业论文基于Android的红外智能风扇设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
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作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
基于STM32的超声波测距仪
基于STM32的超声波测距仪超声波是一种在许多领域都得到广泛应用的技术，其中之一就是测距。
基于STM32的超声波测距仪利用超声波技术，能够准确测量目标物体和测距设备之间的距离。
本文将介绍超声波测距的原理及其在STM32微控制器上的实现。
一、测距原理超声波测距利用超声波在空气中传播的特性进行测量。
它基于声波在不同介质中传播速度不同的原理，通过发射一束超声波并接收其反射回来的信号，计算出目标物体和测距设备之间的距离。
在超声波测距仪中，超声波传感器是实现测距的核心部件。
传感器发射一个短脉冲的超声波信号，并立即启动接收模式以接收反射回来的信号。
通过测量发射和接收之间的时间差，并乘以声速，即可得到目标物体和测距设备之间的距离。
二、STM32微控制器的应用STM32是一款常用于嵌入式系统开发的微控制器芯片，它具有出色的性能和强大的功能。
在超声波测距仪中，STM32可以作为核心控制单元，负责数据处理、信号生成和测距结果的显示。
1. 硬件设计超声波测距仪的硬件设计包括传感器模块、信号处理电路和显示模块。
其中，传感器模块负责发射和接收超声波信号，信号处理电路负责处理传感器输出的模拟信号，而显示模块则用于显示测距结果。
在STM32微控制器上，可以使用GPIO（通用输入输出）引脚来控制传感器模块的触发和接收功能。
利用定时器模块生成精确的时间延迟，并通过外部中断引脚来触发接收模式。
同时，可以利用ADC（模数转换器）模块将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并通过显示模块显示测距结果。
2. 软件实现在STM32的软件实现中，需要利用定时器和外部中断功能来控制超声波的发射和接收。
通过编写相应的中断服务函数，可以实现在接收到超声波反射信号时，获取时间戳并进行距离计算。
此外，还可以利用STM32的串口模块将测距结果发送给上位机或其他外部设备进行进一步处理。
通过串口通信，可以实现实时测距数据的传输和远程控制功能。
三、优化和应用基于STM32的超声波测距仪可以通过一些优化来提高测距的精确度和可靠性。
STM32F103ZET6(中文)
数据手册STM32F103xC STM32F103xDSTM32F103xE参照2009年3月 STM32F103xCDE 数据手册 英文第5版 （本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准） 1/87增强型，32位基于ARM 核心的带512K 字节闪存的微控制器USB 、CAN 、11个定时器、3个ADC 、13个通信接口功能■ 内核：ARM 32位的Cortex™-M3 CPU− 最高72MHz 工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone 2.1)− 单周期乘法和硬件除法 ■ 存储器− 从256K 至512K 字节的闪存程序存储器 − 高达64K 字节的SRAM− 带4个片选的静态存储器控制器。
支持CF 卡、SRAM 、PSRAM 、NOR 和NAND 存储器 − 并行LCD 接口，兼容8080/6800模式 ■ 时钟、复位和电源管理− 2.0～3.6伏供电和I/O 引脚 − 上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)− 4～16MHz 晶体振荡器− 内嵌经出厂调校的8MHz 的RC 振荡器 − 内嵌带校准的40kHz 的RC 振荡器 − 带校准功能的32kHz RTC 振荡器 ■ 低功耗− 睡眠、停机和待机模式− V BAT 为RTC 和后备寄存器供电■ 3个12位模数转换器，1μs 转换时间(多达21个输入通道)− 转换范围：0至3.6V − 三倍采样和保持功能 − 温度传感器 ■ 2通道12位D/A 转换器■ DMA ：12通道DMA 控制器− 支持的外设：定时器、ADC 、DAC 、SDIO 、I 2S 、SPI 、I 2C 和USART ■ 调试模式− 串行单线调试(SWD)和JTAG 接口 − Cortex-M3内嵌跟踪模块(ETM)■ 多达112个快速I/O 端口− 51/80/112个多功能双向的I/O 口，所有I/O 口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V 信号■ 多达11个定时器− 多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM 或脉冲计数的通道和增量编码器输入− 2个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM 高级控制定时器− 2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) − 系统时间定时器：24位自减型计数器 − 2个16位基本定时器用于驱动DAC ■ 多达13个通信接口− 多达2个I 2C 接口(支持SMBus/PMBus)− 多达5个USART 接口(支持ISO7816，LIN ，IrDA 接口和调制解调控制)− 多达3个SPI 接口(18M 位/秒)，2个可复用为I 2S 接口− CAN 接口(2.0B 主动) − USB 2.0全速接口 − SDIO 接口 ■ CRC 计算单元，96位的芯片唯一代码 ■ ECOPACK ®封装 表1 器件列表参 考 基本型号STM32F103xC STM32F103RC 、STM32F103VC 、STM32F103ZCSTM32F103xD STM32F103RD 、STM32F103VD 、STM32F103ZDSTM32F103xE STM32F103RE 、STM32F103ZE 、 STM32F103VE本文档英文原文下载地址： /stonline/products/literature/ds/14611.pdf目录1介绍 (4)2规格说明 (5)2.1器件一览 (5)2.2系列之间的全兼容性 (6)2.3概述 (6)2.3.1ARM®的Cortex™-M3核心并内嵌闪存和SRAM (6)2.3.2内置闪存存储器 (6)2.3.3CRC(循环冗余校验)计算单元 (7)2.3.4内置SRAM (7)2.3.5FSMC(可配置的静态存储器控制器) (7)2.3.6LCD并行接口 (7)2.3.7嵌套的向量式中断控制器(NVIC) (7)2.3.8外部中断/事件控制器(EXTI) (7)2.3.9时钟和启动 (7)2.3.10自举模式 (8)2.3.11供电方案 (8)2.3.12供电监控器 (8)2.3.13电压调压器 (8)2.3.14低功耗模式 (8)2.3.15DMA (9)2.3.16RTC(实时时钟)和后备寄存器 (9)2.3.17定时器和看门狗 (9)2.3.18I2C总线 (10)2.3.19通用同步/异步收发器(USART) (10)2.3.20串行外设接口(SPI) (10)2.3.21I2S(芯片互联音频)接口 (11)2.3.22SDIO (11)2.3.23控制器区域网络(CAN) (11)2.3.24通用串行总线(USB) (11)2.3.25通用输入输出接口(GPIO) (11)2.3.26ADC(模拟/数字转换器) (11)2.3.27DAC(数字至模拟信号转换器) (11)2.3.28温度传感器 (12)2.3.29串行单线JTAG调试口(SWJ-DP) (12)2.3.30内嵌跟踪模块(ETM) (12)3引脚定义 (15)4存储器映像 (28)5电气特性 (29)5.1测试条件 (29)5.1.1最小和最大数值 (29)参照2009年3月 STM32F103xCDE数据手册英文第5版（本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准） 2/875.1.2典型数值 (29)5.1.3典型曲线 (29)5.1.4负载电容 (29)5.1.5引脚输入电压 (29)5.1.6供电方案 (30)5.1.7电流消耗测量 (30)5.2绝对最大额定值 (30)5.3工作条件 (32)5.3.1通用工作条件 (32)5.3.2上电和掉电时的工作条件 (32)5.3.3内嵌复位和电源控制模块特性 (32)5.3.4内置的参照电压 (33)5.3.5供电电流特性 (33)5.3.6外部时钟源特性 (40)5.3.7内部时钟源特性 (44)5.3.8PLL特性 (45)5.3.9存储器特性 (45)5.3.10FSMC特性 (45)5.3.11EMC特性 (60)5.3.12绝对最大值(电气敏感性) (61)5.3.13I/O端口特性 (62)5.3.14NRST引脚特性 (64)5.3.15TIM定时器特性 (65)5.3.16通信接口 (65)5.3.17CAN(控制器局域网络)接口 (71)5.3.1812位ADC特性 (72)5.3.19DAC电气参数 (75)5.3.20温度传感器特性 (76)6封装特性 (77)6.1封装机械数据 (77)6.2热特性 (83)6.2.1参考文档 (84)6.2.2选择产品的温度范围 (84)7订货代码 (86)8版本历史 (87)本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准）参照2009年3月 STM32F103xCDE数据手册英文第5版（ 3/871 介绍本文给出了STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE大容量增强型产品的订购信息和器件的机械特性。
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Design of Two-Dimensional Ultrasonic Wind Speed Measurement System Based on STM32F103ZET6
Weidong Wang
School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University, Tianjin Received: Oct. 26 , 2018; accepted: Nov. 8 , 2018; published: Nov. 15 , 2018
3. 系统方案设计
3.1. 整体方案设计
本方案以 STM32F103ZET6 为核心，通过产生时序信号来激励发生端工作[7]。如图 3 所示，整个系 统由电源模块、超声波发射驱动模块、超声波接收模块、滤波放大模块、UART 通信模块和 A/D 采样模
DOI: 10.12677/jee.2018.64033 285 电气工程
Open Access
1. 引言
目前，传统的风速测量仪大多是利用机械构件的转动来衡量风速[1]。与超声波风速仪相比，存在几 点缺陷：1) 旋转部件会产生摩擦损耗；2) 存在启动风速，需要启动时间；3) 在海气界面中机械旋转构 件的抗浸蚀性能较差[2]。 超声波风速仪与 HHT 算法相结合，不仅弥补了以上缺陷，而且在风速测量精度上有所提高、抗恶劣 海况能力增强，成为当下的研究热点。本文简单介绍了一种基于微控制器 STM32F103ZET6、运用时间差 法设计的二维超声波测风仪，并引入 HHT 算法对测量数据进行处理。该系统测量精度高、体积小、频率 快、稳定性强，十分适用于海洋大气界面等海洋环境的风速测量。
关键词
海气界面，超声波，时差法，STM32F103ZET6，希尔伯特黄变换
Copyright © 2018 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
Figure 2. Wind speed vector 图 2. 风速矢量图
假设顺风向时东西方向上的输送时长是 t12 、逆风向时为 t21 ，那么同样 t34 和 t43 分别为南北方向上输 送的的顺、逆风时长[6]。
= vx = vy L sin θ 1 1 − t12 t21
DOI: 10.12677/jee.2018.64033 286 电气工程
王威栋
该频率能反映数据随时间的变化特性。
Figure 5. Ultrasonic receiver module 图 5. 超声波接收模块
如图 6 所示，EMD 基本步骤如下：
Figure 6. HHT flow chart 图 6. HHT 流程图 DOI: 10.12677/jee.2018.64033 287 电气工程
王威栋
摘
要
风速测量的准确性对于海洋-大气界面的观测有着重要意义。 本文简述了时间差超声波风速测量方法的优 点， 并运用时间差法的二维V型结构超声波测量原理， 搭建了一种基于STM32F103ZET6的二维超声波风 速测量系统。与传统的测风系统相比较，该设计引入希尔伯特黄变换对测量数据进行处理，能够保证风 速测量的准确性。实验结果表明：该设计适应性较强，可实现较高精度的风速测量，在海气界面等复杂 气象环境的观测中具有较高的参考价值和实用意义。
由实验数据分析可知，实验区域为 0~3 m/s，每隔 0.1 m/s 选取一个点进行试验，总共 30 个测量点， 各测量点符合在 0~5 m/s 的范围内，风速测量准确度在 ± 0.5 m/s 的测量精度要求。将所得数据导入上位 机进行滤波，图 8 为顺风向超声波接收信号波形图，图 9h
Abstract
The accuracy of wind speed measurement is important for the observation of the ocean-atmosphere interface. This paper briefly describes the advantages of the time difference ultrasonic wind speed measurement method, and based on the two-dimensional V-structure ultrasonic measurement principle of time difference method, a two-dimensional ultrasonic wind speed measurement system based on STM32F103ZET6 is built. Compared with traditional wind measurement systems, the design introduces the Hilbert Huang Transform algorithm to process the measurement data, which can ensure the accuracy of the wind speed measurement. The experimental results show that the design has strong adaptability and can achieve high precision wind speed measurement. It has high reference value and practical significance in the observation of complex meteorological environment such as air-sea interface.
2. 时间差测风方法
目前时间差法最为成熟， 运用也最为广泛， 同样也适用于在海洋环境下的风速测量。 当波程一定时， 分别在顺、逆风的情况下，超声波的输送有一个速率差，而这个速率差就对应一个时间差，两者之间是 线性关系[3]。 本方法为：4 个收发同体的超声波换能器分别放置在东西南北四个方位，两两间隔分别相等[4]。如 图 1 所示，本设计采用 V 型安装位置，这样在缩小仪器体积的同时，固定了超声波的传播方向、扩大了 超声波声程。
Keywords
Air Sea Interface, Ultrasonic Wave, Time Difference Method, STM32F103ZET6, Hilbert Huang Transform
基于STM32F103ZET6的二维超声波风速测量 系统设计
王威栋
天津工业大学电气工程与自动化学院，天津
(4) (5)
L 1 1 − sin θ t34 t43
实际风速为：
1 L 1 1 1 = v − + − sin θ t34 t43 t12 t21
2 2
(6)
时间差法的原理较为简单，在测量中不易受环境等因素的影响。不仅电路容易实现、具有稳定的性 能，而且方便提高电路集成度，降低板上设计面积。
Figure 1. V-type measurement schematic 图 1. V 型测量原理图 DOI: 10.12677/jee.2018.64033 284 电气工程
王威栋
当静风时，设超声波波速为 c，真实风速为 v [5]。当有风时，顺、逆风向的时长 t1 ， t2 和一维风速 v 的关系为：
王威栋
块等组成[8]。
Figure 3. System overall composition 图 3. 系统总体构成图
3.2. 硬件设计
3.2.1. 超声波发射驱动模块 本设计用激励信号 PWM 波配合 LC 滤波来共同实现 DAC 输出[9] (如图 4 所示)。
Figure 4. Typical PWM waveform of the actual circuit 图 4. 实际电路的典型 PWM 波形
r2 r1 − c2 = M r − c = n−1 n rn
(10)
4. 实验结果与分析
按照海滨观测规范中规定的观测和记录方法，分别在顺风向和逆风向的条件下，每 3 秒采集一次， 记录到 0.1 m/s，从 4 个不同测量点上分别选取一定的数据进行对比。如图 7 所示。
Figure 7. System test physical chart 图 7. 系统测试实物图
王威栋
1) 基于原始信号 x ( t ) ， 通过三次样条插值法处理极大值和极小值点， 得到上、 下包络线的平均值为：
= r1 ( t )
1 (α1 ( t ) + α 2 ( t ) ) 2
(7)
2) 计算原始信号 x ( t ) 与平均值 r1 ( t ) 的差值：
θ1= ( t ) x ( t ) − r1 ( t )
2L = c + v sin θ t1
(1) (2) (3)
2L = c − v sin θ t2
v =
L sin θ
1 1 − t1 t2
在二维情况下， 在一个平面的 X 和 Y 方位上垂向放置两对换能器[6]。 vx 和 v y 依次对应实际风速在 X、 Y 方向上的分解(如图 2 所示)。
收稿日期：2018年10月26日；录用日期：2018年11月8日；发布日期：2018年11月15日
文章引用: 王威栋. 基于 STM32F103ZET6 的二维超声波风速测量系统设计[J]. 电气工程, 2018, 6(4): 283-290. DOI: 10.12677/jee.2018.64033