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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 超聲波風(fēng)速儀
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 采用了一種基于傳統(tǒng)時差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測，利用單片機(jī)MSP430為控制核心，構(gòu)成了高速、低功耗的計時模塊，采用LCD12864的實(shí)時顯示模塊，基于ZigBee協(xié)議的無線發(fā)送模塊等。超聲測風(fēng)儀特別適合用于環(huán)境檢測、航海、工業(yè)風(fēng)道檢測以及危險性氣體的測量，能在無人管理下的惡劣自然環(huán)境中長期工作。目前設(shè)備已研制成功，如果進(jìn)一步完善工藝投入生產(chǎn)，將具有極大的實(shí)用價值與極其廣闊的市場前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 目前,國內(nèi)常規(guī)測風(fēng)儀都是機(jī)械旋轉(zhuǎn)型測風(fēng)儀器，如風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)式、螺旋槳帶尾翼式等.上述儀器由于需要機(jī)械轉(zhuǎn)動，所以設(shè)備能耗大，壽命短，零點(diǎn)漂移很嚴(yán)重，受自然條件影響大。 而目前國外市場基本上已經(jīng)淘汰了機(jī)械式風(fēng)速測量設(shè)備，取而代之的是基于超聲波的風(fēng)速儀。超聲波風(fēng)速儀與傳統(tǒng)的測風(fēng)儀相比穩(wěn)定性、壽命、精度提高很多，不受自然條件限制。而且可進(jìn)行多點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向測量，微控自動測量，增大了測量范圍，減少了設(shè)備能耗，更重要的是能在無人管理下長期工作。因此被認(rèn)為是理想測量工具。 據(jù)了解超聲波測風(fēng)儀在德國英國等發(fā)達(dá)國家已有了批量生產(chǎn)，但價格昂貴。而我國此類產(chǎn)品還處于實(shí)驗(yàn)室階段,國內(nèi)還尚無成品。本設(shè)計制作結(jié)合國外技術(shù)和國內(nèi)現(xiàn)狀，立足于自主創(chuàng)新，進(jìn)行實(shí)用型、經(jīng)濟(jì)型超聲波風(fēng)速儀的開發(fā)。 時差法是根據(jù)超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算風(fēng)速，進(jìn)而求得風(fēng)向。順風(fēng)將使超聲信號傳播時間增大，逆風(fēng)將會使之減小。如果風(fēng)速為零，信號雙向的傳輸時間相等。 通過多次的實(shí)驗(yàn)，我們確定了四個超聲波模塊中間有一個頂板將超聲信號進(jìn)行反射的模型。該模型既增加了超聲信號在流體中傳播的時間，又使得模型體形精巧便于攜帶，而且受外界環(huán)境的干擾小。整個模塊包括四個超聲波發(fā)射接收模塊、含有MSP430單片機(jī)的中央處理模塊、實(shí)時顯示模塊、基于ZigBee的無線發(fā)射模塊、太陽能電池板供電模塊。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的自動測量，提高風(fēng)速測量的精度，擴(kuò)展風(fēng)速測量范圍，進(jìn)而取代目前國內(nèi)市場上缺陷頗多的傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)型風(fēng)速儀；引入新興的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使區(qū)域氣象監(jiān)測更具自動化、智能化；最重要的是填補(bǔ)了我國在超聲波風(fēng)速儀這一領(lǐng)域的空白，追趕與歐美國家在此領(lǐng)域的差距。 基本思路：利用超聲波在流體中傳播時，流體的流動狀態(tài)對超聲波頻率產(chǎn)生的影響；測量分析超聲波在風(fēng)中傳播時其頻率的變化，傳輸?shù)組SP430單片機(jī)上；單片機(jī)處理計算出實(shí)時風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度，并傳輸?shù)絃CD12864上顯示；再通過ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)智能組網(wǎng)監(jiān)測。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.由于我國此類產(chǎn)品還處于實(shí)驗(yàn)室階段,市場上尚無成品；而多數(shù)歐美國家已批量生產(chǎn)且逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)型測風(fēng)儀成為其市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，所以本作品的研制將填補(bǔ)我國在這一領(lǐng)域的空白，為風(fēng)測量提供新型的高精度設(shè)備。 2.引入ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，組建了區(qū)域內(nèi)的氣象監(jiān)測網(wǎng)，只在終端檢測室就可了解該區(qū)域任意節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)。使作品更具自動化、智能化。 3. 非接觸式超聲波風(fēng)速測量比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)接觸式測量的精度更高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械風(fēng)速儀不能自動測量風(fēng)向的缺點(diǎn)。 技術(shù)關(guān)鍵：超聲波從發(fā)射時到接收時的時間差測量；測量數(shù)據(jù)的無線傳輸；區(qū)域內(nèi)的ZigBee智能組網(wǎng)。 主要技術(shù)指標(biāo)：作品測量的范圍，分辨率，穩(wěn)定性，零點(diǎn)漂移情況，能耗，壽命。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品的科學(xué)性先進(jìn)性： 常規(guī)測風(fēng)儀，如風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)式、螺旋槳帶尾翼式，由于需要機(jī)械轉(zhuǎn)動，所以設(shè)備能耗大，壽命短，零點(diǎn)漂移很嚴(yán)重，受自然條件影響大。 超聲波風(fēng)速儀與傳統(tǒng)的測風(fēng)儀相比具有以下技術(shù)特點(diǎn)：高精度、低功耗、智能化。由于沒有機(jī)械接觸，所以穩(wěn)定性、壽命、精度提高很多，而且不受自然條件限制，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)向的自動測量；通過太陽能電池板供電和ZigBee智能組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，作品可進(jìn)行多點(diǎn)測量，微控自動測量，增大了測量范圍，減少了設(shè)備能耗；更重要的是能在常規(guī)測風(fēng)儀無法測量的惡劣自然環(huán)境中無人管理下長期工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，作品具有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)和顯著的進(jìn)步。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 由于時間原因未進(jìn)行權(quán)威評審，只在校內(nèi)比賽中進(jìn)行評審、鑒定、展示過，測試效果良好。
作品所處階段
- 已做出樣品，并進(jìn)行了初步的測評。如進(jìn)一步改善工藝，能發(fā)揮市場效益。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、樣品。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明： 通電源后將自動開啟，通過ZigBee無線傳輸至終端監(jiān)控室形成遠(yuǎn)程監(jiān)控，最后通過多點(diǎn)布控組建區(qū)域內(nèi)的氣象監(jiān)測網(wǎng)。在終端檢測室就可了解該區(qū)域內(nèi)任意布控點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 方案原理簡單，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高；降低功耗；減少軟件延時；使用壽命大幅度提升；智能化。作品能在常規(guī)測風(fēng)儀無法測量的惡劣自然環(huán)境或危險環(huán)境中無人管理下可以長期工作。 適應(yīng)范圍及推廣前景： 本作品的研制為民用、航海、軍事等高需求的風(fēng)速、風(fēng)向測量提供了高精度耐用的測風(fēng)儀器。同時高精度風(fēng)速的測量在煤炭、飛機(jī)、汽車、電力等方面都十分重要。進(jìn)一步完善制作工藝，也可供海洋、沿海大風(fēng)、高山等惡劣自然條件下使用。 我國此類產(chǎn)品還處于起步階段。本作品的研制，將填補(bǔ)我國在這一領(lǐng)域的空白。其推廣必將具有廣闊的市場前景同時將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
同類課題研究水平概述
- 在對氣象學(xué)越加重視的今天，氣象數(shù)據(jù)的采集更顯重要。風(fēng)速是氣象數(shù)據(jù)中的一個重要的參數(shù)，它的測量精準(zhǔn)度會影響到氣象預(yù)報的準(zhǔn)確性。最初的機(jī)械旋轉(zhuǎn)型風(fēng)速儀，靠人工測量，精度差，數(shù)據(jù)不及時。 目前，國內(nèi)常規(guī)測風(fēng)儀器, 如風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)式, 螺旋槳帶尾翼式, 已經(jīng)使用多年, 特點(diǎn)是工作穩(wěn)定可靠, 測量范圍和精度基本滿足常規(guī)要求。但是研究表明, 上述旋轉(zhuǎn)型測風(fēng)儀器, 由于減速時的距離常數(shù)比加速時的大, 其測量風(fēng)速的平均值有時比實(shí)際值高出10％-20％； 在自然條件變化（如降雨、降雪、風(fēng)沙）情況下, 測量會帶來較大誤差. 轉(zhuǎn)動部分的機(jī)械磨損, 腐蝕也會增加測量誤差。另一方面, 由于此類旋轉(zhuǎn)型儀器的響應(yīng)速度較慢, 動態(tài)指標(biāo)不高, 也限制了它的使用范圍。 然而超聲波風(fēng)速儀無機(jī)械接觸，很好的改善常規(guī)測風(fēng)儀的缺點(diǎn)，能在惡劣的自然環(huán)境中，無人管理下穩(wěn)定，可靠的長期工作。 目前，我國的超聲波風(fēng)速儀仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，沒有高精度的、穩(wěn)定性好的相關(guān)產(chǎn)品投入批試銷售。雖然國內(nèi)市場已經(jīng)出現(xiàn)的個別超聲波風(fēng)速儀，但是結(jié)構(gòu)較為簡單，穩(wěn)定性，可靠性不佳，高性能產(chǎn)品仍處于研究開發(fā)階段。 國外已經(jīng)出現(xiàn)了較為復(fù)雜的，高精度的超聲波流體檢測儀器，而且已逐漸取代常規(guī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)型測風(fēng)儀成為其市場主導(dǎo)產(chǎn)品。但外國產(chǎn)品在我國的價格十分昂貴，而且是有價無貨的情況，只有極少產(chǎn)品流入國內(nèi)市場，最終只用于航海、氣象、軍事等高需求的高端產(chǎn)業(yè)中。 本作品結(jié)合國外技術(shù)和國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，立足于自主創(chuàng)新，進(jìn)行實(shí)用型、經(jīng)濟(jì)型超聲波風(fēng)速儀的研制。
