一种超声波风速风向采集及显示装置的制作方法

1.本实用新型涉及风速采集技术领域，特别是一种超声波风速风向采集及显示装置。


背景技术：

2.风能作为自然界中取之不尽用之不竭的能源，在当今总能耗占比中转年增加，如何实现风能的有效转化利用是现今重点关注问题，风速及风向的精准采集及测量是实现风能有效转化的首要解决问题。
3.现今，风速风向仪主要分为，机械式风速仪、热电式风速仪以及超声波式风速仪，机械式风速仪可分为风杯式及螺旋桨式风速仪，机械式风速仪结构简单，采集处理便捷，前期得到广泛应用，但由于机械结构磨损，必会导致寿命及精度变差；热电式风速仪采用加热探头，依据探头能量流失计算风速，此方式适合低风速测量环境；超声波风速仪基于时差法、多普勒法、相位差法等方法，实现不同场景下的，风速风向精准测量；超声波风速仪以测量方便、精度高、寿命长等优点，而得到广泛应用。
4.目前，现有的超声波风速风向采集装置在设计生产及使用过程中，受机械安装、不同空气介质及数据处理等影响，导致数据采集精度、数据稳定性降低，并且现有的超声波风速风向显示装置产品种类繁多，展现形式单一。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种稳定性好，能够对风速风向进行精准测量，并进行实时显示的超声波风速风向采集及显示装置。
6.本实用新型所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本实用新型是一种超声波风速风向采集及显示装置，包括用于对风速风向进行采集的采集装置和用于对风速风向信息进行显示的显示装置，采集装置包括主体、控制单元和用于对风速风向进行测量的超声波探头，在主体内设置有便于控制单元安装的空腔，空腔通过压盖密封，传感器安装在压盖上，在压盖上还通过立柱安装有与传感器配合的反射盖板；
7.所述显示装置包括底壳，在底壳的底部安装有支架，在底壳上安装有上盖，在上盖与底壳之间安装有液晶屏幕和与控制单元讯连接的主控板。
8.本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的超声波风速风向采集及显示装置，所述超声波探头为200khz超声波换能器。
9.本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的超声波风速风向采集及显示装置，所述超声波探头设置有2-4个，2-4个超声波探头沿压盖的周向均匀分布。
10.本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的超声波风速风向采集及显示装置，所述控制单元包括gd32f4芯片，在gd32f4芯片上连接有电源模块、通讯模块，gd32f4芯片通过pwm模块、驱动电路与超声波探头连接，超
声波探头通过放大电路、微波电路与gd32f4芯片连接。
11.本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的超声波风速风向采集及显示装置，所述液晶屏幕为5寸液晶屏幕。
12.本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的超声波风速风向采集及显示装置，在主控板上安装有gd32f1芯片、在底壳的侧壁上还设置有与gd32f1芯片连接的电源接口、模拟量接口、通讯接口、网络接口。
13.与现有技术相比，通过本技术的设计和开发可以实现港口、气象等领域的风速风向精准测量，并可通过显示装置或远程大屏幕实现实时展示，为风能勘测提供可靠数据支持；同时，本技术具有警报功能，可实现风速警报，并可与现场plc设备相连，警报时触发设备停机，保障大型设备安全。本技术结构设计轻盈精致，保证了装置的防腐抗震动特性，方便了系统的安装拆卸及调试，节省了维修成本；同时具备故障检测功能，有利于节省人力成本。
附图说明
14.图1为本实用新型的一种装置框架图；
15.图2为本实用新型超声波信号传输模型图；
16.图3为本实用新型采集装置的结构示意图；
17.图4为本实用新型采集装置的电气原理图；
18.图5为本实用新型显示装置的结构示意图；
19.图6为本实用新型显示装置的电气原理图。
具体实施方式
20.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.参照图1至图6，一种超声波风速风向采集及显示装置，包括采集装置和显示装置，采集装置采用200khz超声波换能器，高频率信号，增加采集精度；装置利用时差法基本原理，对信号进行放大、滤波、峰值检测等处理，减小硬件延迟，进一步提高采集精度；
22.显示装置采用5寸液晶屏幕，显示瞬时及平均风速及风向信息；显示装置预留多种接口，485、4~20ma、脉冲格雷码等，可对接不同接口采集装置以及对接现场plc设备；同时，显示装置可设置报警风速，提供声光报警；显控装置还具备网口、4g接口等，可对接云平台，进行大屏实时展示；
23.整个装置框架如图1所示；
24.1、采集装置
25.采集装置采用庭式结构，防止雨雪对探头的覆盖影响，同时装置整体采用铝合金材质，质量轻，具有较好的抗腐蚀性，满足户外使用要求；
26.风速风向采集装置主要包括三个部分，反射盖板11、探头和腔体；
27.超声波换能器发出信号具有一定发散角，为保证信号在传输中小的能量损耗，反射盖板11内侧采样水平方式，信号传输模型如图2所示；
28.为保证信号的高效传输，反射盖板11内侧采用喷塑处理，保证内壁的水平光滑；同时超声波换能器安装板为压铸铝合金板，保证水平精度；反射盖板11与超声波换能器安装板之间采用支架25固定，保证两者之间的平行；
29.超声波探头13选用200khz换能器，中心频率较高，可减少空气中悬浮颗粒对声波的衰减，增加信号接收能量，提高检测精度；
30.风速风向装置腔体采用圆形腔体结构，内部预留螺柱，方便主控板23安装；同时，底部留有安装固定孔，通过螺丝固定于安装柱上，具体结构如图3；
31.采集装置包括主体16、控制单元15和用于对风速风向进行测量的超声波探头13，在主体16内设置有便于控制单元15安装的空腔，空腔通过压盖14密封，传感器安装在压盖14上，在压盖14上还通过立柱12安装有与传感器配合的反射盖板11，压盖14和立柱12通过紧固件17与主体16固定连接，在主体16上还安装有插头18；
32.风速风向采集装置采用gd32f4系列作为核心芯片，该芯片具有较高处理速度，可快速对采集信息进行处理，采集装置内部功能模块可分为电源模块、核心模块、通讯模块、脉冲收发模块、放大及滤波模块等，采集装置电气原理框图如图4所示；
33.风速风向采集装置的电源模块将24vdc电源通过开关电源芯片转化为12v，为换能器驱动电路供电；12vdc转为5vdc，为运算放大器供电；5vdc通过线性电源转化为3.3vdc为核心芯片供电，核心模块包括gd32、时钟电路、复位电路、boot电路以及烧写电路，通讯模块根据现场传输及通讯要求，包括485通讯、4~20ma通讯，为保证传输信号稳定性及抗干扰型、配置隔离电路；pwm模块为通过gd32生产200khz脉冲信号，并通过换能器驱动电路，获得高能量驱动换能器；换能器接收的信号，通过放大电路，将信号放大至适合单片机检测范围电压，再通过滤波电路，去除干扰信号；gd32通过ad对采集到的信号进行处理，通过峰值检测，获取收到信号时间，进行计算出风速及风向；
34.峰值检测是风速风向采集装置的重要部分，传统数据处理方式是通过比较器比较信号强度，判断信号接收时间，但此方法精度不高，且调试较麻烦；此装置采用峰值检测的方法，ad采样，采样值比较找出峰值，进而准确计算信号接收时间；同时，单片机处理也将消耗一定时间，为进一步调高精度，需将此部分时间计算在内；
35.2、显示装置
36.速风向显示装置采用铝合金结构，表面喷塑处理，结构简便、轻巧。显示装置通过底部螺丝固定于现场机箱内，组装及拆卸方便，显示装置的结构如图5所示；
37.显示装置由上盖21、底壳24、液晶屏、主控板23和支架25组成，上盖21与底壳24，通过螺丝固定一起，组成显示装置整个外壳结构；上壳体内侧安装有液晶屏幕，用户可通过此方便查看运行结果；底部具有可拆卸支架25，用于固定于用户机箱内，所有接口均在显示装置的底壳24侧壁，包括电源接口、模拟量接口、通讯接口、网络接口，极大方便了系统线路连接；整个显示装置结构设计精致、安装拆卸以及系统线路连接、调试方便；
38.风速风向显示装置采用gd32f1系列作为核心芯片，该芯片接口丰富，可对接多种串并口设备，显示装置内部功能模块可分为电源模块、核心模块、通讯模块、警报电路等，显示装置电气原理框图如图6所示；
39.风速风向显示装置电源模块将220vac电源通过开关电源芯片转化为24v，为采集装置供电；24vdc转为5vdc，为运算放大器、4g模组供电；5vdc通过线性电源转化为3.3vdc为核心芯片供电；核心模块包括gd32f1供电、时钟电路、复位电路、boot电路以及烧写电路。通讯模块根据现场传输及通讯要求，可选择lora通讯、4g通讯等，为保证传输信号稳定性及抗干扰型、配置隔离电路；
40.显示装置可通过背部螺孔，旋拧在控制柜体上；也可通过支架25，安装于用户控制箱内；或通过更换支架25的形式，导轨安装。
41.通过本技术的设计和开发可以实现港口、气象等领域的风速风向精准测量，并可通过显示装置或远程大屏幕实现实时展示，为风能勘测提供可靠数据支持；同时，本技术具有警报功能，可实现风速警报，并可与现场plc设备相连，警报时触发设备停机，保障大型设备安全。本技术结构设计轻盈精致，保证了装置的防腐抗震动特性，方便了系统的安装拆卸及调试，节省了维修成本；具备故障检测功能，节省人力成本。