风影响着人类的社会活动,风速风向的监测对人类有着重要意义。随着科技的进步,超声流量测量技术得到迅速发展,利用超声波检测风的信息已成为研究热点。不管国内还是国外,超声波测风系统的设计研究已经取得了比较大的发展及应用,但对于三维超声波风速测量的需求以及其应用市场的快速增加而言,相关的设计研究工作依然较少。同时在三维测风领域,相对于传统的机械式测风原理和热式测风原理,超声波测风原理具有明显的优势。经过调研各种超声波测风技术后,本文决定采用时差法的原理进行超声波风速风向测量,即超声波在空气中顺风和逆风传播时,会有一个时间差,基于此基础原理,设计了一套基于stm32微处理器进行系统控制及数据处理的三维超声波测风系统,并设计与之配套的样机。本文完成的主要工作如下:通过查阅相关文献了解国内外超声波风速仪的发展现状,并对多种超声波测风方法和原理进行了总结;基于时差法测量原理,建立了三维超声波传感器的阵列模型,并设计超声波驱动电路、信号切换电路、信号调理电路、A/D采样电路等硬件电路;在Keil开发环境下进行软件开发,编写超声波探头控制、数据采集、温度检测、数据处理、风速风向计算等相关程序。在硬件电路上搭配高速AD芯片进行高效率地并行数模转换,软件上采取DMA高速采集的方法进行数据读取,同时提出了一种通过移动采样区间获取回波信号特征点的方法,从而判断回波信号的准确位置,具有一定的创新性,并证明了其可行性。最后组装好样机,经过多次联合调试和优化,现已实现设计指标中的功能和要求。测试结果表明,风速的精确度可达0.4m/s(风速≤10m/s)且小于测量值的6%(风速>10m/s),风向的精确值可达3°(风速>5m/s)且小于6°(风速≤5m/s)。设计研究与实验结果表明,本文所设计的三维风速测量仪可以满足工业所需要求,并且降低了应用成本,在风速风向测量领域有广泛的应用前景和较高的应用价值。