輸電線路超聲波自校正風速風向監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力行業(yè)輸電線路檢測技術(shù)領域，尤其涉及一種輸電線路超聲波自校 正風速風向監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 輸電線路的安全隱患是各種因素共同作用的結(jié)果，其中溫度、濕度、風速、風向等 因素是分析輸電線路出現(xiàn)覆冰、導線溫度、風偏的主要參數(shù)，監(jiān)測這些數(shù)據(jù)為電力部門做好 有關預防措施，消除安全隱患提供了必要的依據(jù)。對于溫濕度監(jiān)測而言，技術(shù)已經(jīng)成熟，然 而傳統(tǒng)機械式風速風向檢測儀外形笨重，安裝不便，且機械式轉(zhuǎn)軸由于磨損需要經(jīng)常維護 和校準。同時，安裝時需要進行人工定標方向校準，不但增加了安裝人員的工作量，同時也 大大增加了誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的傳統(tǒng)輸電線路機械式風速風向采集系統(tǒng)的缺陷，本發(fā)明 提供一種輸電線路超聲波自校正風速風向監(jiān)測系統(tǒng)。其目的是為了提供一種充分利用微處 理器技術(shù)對輸電線路風速風向進行監(jiān)測，可以利用超聲波技術(shù)實現(xiàn)輸電線路風偏在線監(jiān)測 系統(tǒng)。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 輸電線路超聲波自校正風速風向監(jiān)測系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收電 路模塊，處理器模塊，地磁角校正模塊及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中，超聲波發(fā)射模塊和單片 機PI. 0引腳相連，超聲波接收電路模塊和單片機外部中斷P3. 2引腳相連，地磁角校正模塊 通過IIC總線形式和單片機IIC總線引腳P2. 0,P2. 1相連，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過異步通 信總線和單片機的USART引腳P3. 0，P3. 1相連；各模塊通過無線網(wǎng)絡發(fā)送3G無線數(shù)據(jù)到主 控室，主控室的無線3G網(wǎng)絡接收模塊和計算機相連，通過計算機系統(tǒng)界面進行上傳數(shù)據(jù)的 分析、處理、顯示。
[0006] 所述的地磁角校正模塊采用電子指南針模塊HMC5883,UbloxNE0-6M;所述的無線 數(shù)據(jù)傳輸模塊為S頂900A;所述的處理器模塊采用ARM處理器。
[0007] 輸電線路超聲波自校正風速風向監(jiān)測方法，是利用時差法進行超聲波風速測試， 步驟如下：
[0010] 式中：L為兩只傳感器收發(fā)超聲信號的總路徑，S為兩只傳感器的直線距離；Tab為 超聲波信號從A探頭至B探頭順風時的傳播時間，Tba為超聲波信號從B探頭至A探頭逆風 時的傳播時間，C為聲速，m/s;v為風速，m/s。
[0011] 由式（1)和式（2)，推出某一方向風速，如式（3):
[0013] 設實際風速為V，在X軸投影分量Vx，在y軸投影分量Vy，顯然有：
[0014] V2=Vx2+Vy2 (4)；
[0015] 由式⑶得到實際風速：
[0017] 其中，1^為超聲波信號從C探頭至D探頭順風時的傳播時間，T d。為超聲波信號從 D探頭至C探頭逆風時的傳播時間；
[0018] 得到實際風向：
[0020] C= 331. 4+T/273 (7)；
[0021] 式（7)中，T為系統(tǒng)測試到的環(huán)境實際溫度，單位為°C;C為系統(tǒng)計算得到的實際聲 速，單位為m/s;
[0022] 單片機在發(fā)出8個40kHz發(fā)射探頭驅(qū)動信號的瞬間，同時開啟定時器開始計時；當 接收探頭接收到信號時，停止計時器;A探頭發(fā)射，B探頭接收，得到時間Tab;然后由B探頭 發(fā)射，A探頭接收，得到時間Tba;以此類推得到Tcd，Tdc;單片機再根據(jù)式（5)-(7)進行處 理，最終通過GSM模塊上傳主控室，進行顯示與記錄。
[0023] 所述的環(huán)境實際溫度是通過溫度采集模塊采集的數(shù)據(jù)，溫度采集模塊采用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器對聲速進行修正；所述的超聲波探頭為40kHz收發(fā)一體式防水型 超聲波探頭，超聲波檢波芯片采用SONYCX20106 -體式檢波芯片。
[0024] 所述的控制探頭A首先發(fā)射信號，探頭B接收信號；其次控制探頭B發(fā)射信號，探 頭A接收信號；再次控制探頭C發(fā)射信號，探頭D接收信號；最后控制探頭D發(fā)射信號，探頭 C接收信號，以上四個步驟循環(huán)分時進行，實現(xiàn)X-Y軸方向的超聲波信號風速風向探測。
[0025] 所述的監(jiān)測方法操作流程如下：
[0026] 上電后系統(tǒng)首先初始化，接下來控制發(fā)射探頭進行發(fā)射超聲波動作，并且開系統(tǒng) 定時器，開系統(tǒng)外部中斷；
[0027] 當接收探頭收到超聲波時，會引起單片機的外部中斷請求；
[0028] 此時通過系統(tǒng)進行定時器寄存器的讀取，判斷出超聲波傳播的時間；
[0029] 并且根據(jù)讀取到的溫度值進行聲速的校準，通過公式得到當前通道的風速值；
[0030] 然后再進行下一通道風速值的測試和換算；
[0031] 以此類推，可以實現(xiàn)實時風速風偏的測試；
[0032] 再根據(jù)地磁角等信息，得到當前相對于正北方向的實際風向信息；
[0033] 如果系統(tǒng)5秒鐘沒有系統(tǒng)沒有得到風速信息，則認為系統(tǒng)探頭損壞，進行及時報 警。
[0034] 本發(fā)明的優(yōu)點及效果是：
[0035] 針對傳統(tǒng)輸電線路機械式風速風向采集系統(tǒng)的不足，設計了一種以ARM為核心的 風速風向采集儀。該系統(tǒng)采用STM32處理器，以超聲波時差法為測試手段，同時采用溫度補 償技術(shù)，地磁角校正技術(shù)以及GPS定位技術(shù)，實現(xiàn)了輸電線路風速風向的準確監(jiān)測?，F(xiàn)場采 集數(shù)據(jù)可以通過GPRS方式實時傳輸給主控室。該系統(tǒng)無運動部件，具有免維護，功耗低，精 度高，安裝使用方便等特點，可以廣泛用在輸電線路監(jiān)測環(huán)境中。
[0036] 采用電子指南針來自動校準定標方向，避免了安裝時需要反復確定定標方向的缺 點，減輕了施工人員工作量，且增加了校準的精度。采用溫度傳感器進行聲速校正，GPS輔 助定位技術(shù)，增加了測試點的可靠性。最終將現(xiàn)場采集的風速，風向數(shù)據(jù)通過GPRS方式實 時傳輸給主控室，便于電力維護人員對輸電線路現(xiàn)場工況做出及時反應。該研究和應用具 有良好的經(jīng)濟價值和市場前景。
【附圖說明】
[0037] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0038] 圖1是本發(fā)明超聲波風速風向監(jiān)測原理模型。
[0039] 圖2是本發(fā)明超聲波風速風向監(jiān)測儀硬件框圖；
[0040] 圖3是超聲波發(fā)射電路圖；
[0041] 圖4是本發(fā)明本發(fā)明超聲波接收電路圖；
[0042] 圖5是本發(fā)明超聲波風速風向監(jiān)測儀監(jiān)測系統(tǒng)流程圖。
【具體實施方式】
[0043] 本發(fā)明是一種輸電線路超聲波自校正風速風向監(jiān)測系統(tǒng)，采用ARM處理器，配合 超聲波方式實現(xiàn)輸電線路風速風向的測試。系統(tǒng)無運動部件，使用方便靈活，測量精度高， 且免維護。本發(fā)明系統(tǒng)創(chuàng)新性的采用電子指南針模塊來自動校準定標方向，避免了安裝時 需要反復確定定標方向的缺點，減輕了施工人員工作量，且增加了校準的精度。還采用溫度 傳感器進行聲速校正，保證了測試的精度。采用Ublox NE0-6M GPS輔助定位技術(shù)，增加了 測試點的可靠性?，F(xiàn)場采集的風速，風向數(shù)據(jù)通過S頂900A GPRS模塊實時傳輸給主控室， 詳見圖2,便于電力維護人員對輸電線路現(xiàn)場工況做出及時反應。
[0044] 本發(fā)明中時差法超聲波風速測試的基本原理圖如圖1所示，則：
[0047] 式中：L為兩只傳感器收發(fā)超聲信號的總路徑，S為兩只傳感器的直線距離。Tab為 超聲波信號從A探頭至B探頭順風時的傳播時間，Tba為超聲波信號從B探頭至A探頭逆風 時的傳播時間，C為聲速，m/s;v為風速，m/s。
[0048] 由式（1)和式（2)，推出某一方向風速，如式（3):
[0050] 設實際風速為V，在X軸投影分量Vx，在y軸投影分量Vy，顯然有：
[0051] V2=Vx2+Vy2 (4)；
[0052] 由式⑶得到實際風速：
[0054] 其中，1^為超聲波信號從C探頭至D探頭順風時的傳播時間，Td。為超聲波信號從 D探頭至C探頭逆風時的傳播時間。
[0055] 得到實際風向：
[0057] 本發(fā)明包括超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收電路模塊，處理器模塊，地磁角校正模塊 及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中，超聲波發(fā)射模塊和單片機Pl. 〇引腳相連，超聲波接收電路模 塊和單片機外部中斷P3. 2引腳相連，地磁角校正模塊通過IIC總線形式和單片機IIC總線 引腳P2. 0,P2. 1相連，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過異步通信總線和單片機的USART引腳P3. 0， P3. 1相連；最終通過系統(tǒng)軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)具體的功能實現(xiàn)通過C語言 代碼編程軟件KEILC實現(xiàn)調(diào)試，并通過ISP下載軟件下載到微處理器中實現(xiàn)系統(tǒng)各類功能 的協(xié)調(diào)工作。各模塊通過無線網(wǎng)絡發(fā)送3G無線數(shù)據(jù)到主控室，主控室的無線3G網(wǎng)絡接收 模塊和計算機相連，通過計算機軟件系統(tǒng)界面進行上傳數(shù)據(jù)的分析、處理、顯