超声波测风速现在已经成为开源气体流场流速的重要的方法，超声波风速仪可以适应恶劣的自然环境并保持较高的精度，同时它也具有较宽的测量范围等优点，广泛应用在现代农业、工业生产、航空航天、军事活动及气象科学等领域。本文对传统时差法进行改进，设计一种基于超声波传感器的自标定时差法和希尔伯特提取包络线-小波变换提取突变点的超声波信号处理方法。本文对风速测量方法和对超声波接收信号的处理方法进行概述，同时分析相应方法的优点和不足，为了提高风速风向测量系统的精度和实用性，提出以ARM11嵌入式平台的超声波风速风向仪的设计方案。根据2-D模型的结构设计出相关的超声波信号的发生、超声波信号激励信号的放大、阻抗匹配、前置放大器、滤波器、扩展的地磁模块、气压模块和相应接口的硬件电路。根据硬件结构设计基于Linux系统上的人机界面应用程序程序、IIC驱动程序、SPI驱动程序、触摸屏驱动、超声波信号处理的应用程序软件开发。设计了一款高精度、可移动、抗干扰、低成本的模块化风速风向测量仪。通过实验验证了改进的超声波自标定时差法和超声波信号处理方法的正确性，对风速、风向、温度、气压、风向表盘指针指向做了标定。测量风速的精度提高到0.01m/s，风向的精度提升到0.1°，能够适应大多数测量风速场合。