传感器课程设计-风速风向测试仪报告书

风速风向测试仪
报告书
姓 名
学 号 院、系、部
电气系 专 业
电气工程及其自动化
※
※※※※※※※※ ※※
※
※
※※ 2008级 传感器课程设计
目录
1 课程设计任务书 (2)
2 概述 (3)
2.1 风速风向仪简介 (3)
2.2风速风向仪原理及特性 (3)
3光电传感器 (5)
3.1 光电传感器简介 (5)
3.2 光电传感器原理及特性 (6)
3.3 光电式传感器的选型 (7)
3.4 信号处理模块分析 (7)
4 基于光电传感器的硬件电路设计 (8)
4.1电路的设计 (8)
5风速风向测试仪的软件设计 (8)
5.1 风速测量程序设计 (8)
5.2 风向测量程序设计 (9)
5.3 C语言程序 (11)
总结与展望 (17)
参考文献 (17)
1 课程设计任务书
风速风向测量是气象监测的重要组成部分, 测量风速风向对人类更好地研究及利用风能和改善生活生产有积极的影响。

一、主要内容
设计制作风速风向测试仪：
1．风速传感器的感应元件是三杯风速组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。

转换器为多齿转杯和狭缝光耦。

当风杯受水平风力作用而旋转时，通过轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

2．风向传感器的变换器为码盘和光电组件。

当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动。

产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。

二、基本要求
1. 实现基本功能
2．完成3000字设计报告
3. 发挥部分，设计信号采集显示部分，完成信号传输。

三、主要技术指标（或研究方法）
测量范围 0～70m/s 0～360°
精度±（0.3+0.03V）m/s ±6°（± 3°）
最大回转半径 90 m m 365 m m
分辨率0.1 m/s 5.6°（ 2.8°）
起动风速≤0.5m/s ≤0.5m/s
输出形式方波 6位（7位）码（或电压）
工作电压 5V～12V 5V～12V
工作电流 10mA 20mA （或2～3mA）
工作环境温度-60℃～50℃湿度≤100％RH 温度-60℃～50℃湿度≤100％RH
2 概述
2.1 风速风向仪简介
风向、风速仪用于测量瞬时风速风向，具有自动显示功能。

主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。

内置或外接各种进口原装传感器，采用微功耗单片机对外部数据进行采样，并将采集的数据保存在系统不易失存储器内。

风向风速仪由微处理器和高动态特性的测风传感器组成。

它适用于气象、能源、环保、农林以及军工等场所测量风向风速。

本仪器体积小，重量轻，功能全，可广泛用于农林、环保、海洋、科学考察等领域测量大气的风参数。

风速风向仪由风速传感器和风向传感器组成。

1、风向部分：由风向标、风向度盘（磁罗盘）等组成，风向示值由风向指针在风向度盘上的位置来确定。

2、风速部分：采用传统的三环旋转架结构，仪器内的单片机对风速传感器的输出频率进行采样、计算，最后仪器输出瞬时风速、一分钟平均风速、瞬时风级、一分钟平均风级、平均风速及对应的浪高。

测得的参数在液晶显示器上用数字直接显示出来。

传感器结构图如图2-1。

风速传感器风向传感器
图2-1传感器结构图
2.2 风速风向仪原理及特性
风速风向仪的工作原理：
风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。

转换器为多齿转杯和狭缝光耦。

当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

风向传感器的变换器采用精密导电塑料电位器，当风向发生变化，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴芯转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出。

风向传感器的变换器为码盘和光电组件。

当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动。

产生的光电信号对应当时风向的格雷码
输出。

风速风向仪的特性：
1.数据记录仪全程跟踪记录数据，数据准确、记录时间长。

2.记录风速风向的参数的变化，可以随时记录数据。

3.记录时间间隔可以在记录仪应用软件上进行设置，2秒至24小时任意可调，风速风向的变化随着时间的变化而变化，监测过程中风俗风向的变化值实时保存在电脑的硬盘中，十分方便。

3 光电传感器
3.1 光电传感器的简介
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置
和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

实物图如3-1。

图3-1光电传感器实物图
3.2 光电传感器的原理及特性
光电传感器原理：由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换
成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.
光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流很小，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

光电传感器的特性：
①检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。

②对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

③响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以
不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

④分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

⑤可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

⑥可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光
的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

⑦便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

3.3光电式传感器选型及介绍
本设计选用的是反射式光电传感器，反射式光电传感器广泛应用于点钞机、限位开关、计数器、电机测速、打印机、复印机、液位开关、金融设备、娱乐设备（自动麻将机）、舞台灯光控制、监控云台控制、运动方向判别、计数、电动绕线机计数、电能表转数计量
反射式光电传感器的工作原理：自带一个光源和一个光接收装置，光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，再经过相关电路的处理得到所需要的信息。

可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。

其特点为，1、安装接线简便；2、安装使用时便于光路对齐；3、不受被检物的形状、颜色和材质影响；4、相对于对射式光电传感器，节省安装使用空间。

3.4 信号处理模块分析
在该信号处理是光电传感器收集到的光信号转化为电信号，再由放大电路把采集到的信号放大输入单片机进行计数。

该放大电路是将采集到的2.2V电压信号放大为5V的电压信号输入即可。

4 基于光电传感器的硬件电路设计
4.1电路的设计
本次设计系统的原理图如图4-1所示，通过电路与单片机的通信即可从数码管读出要检测的脉冲数，电路简单，精度高，容易实现，大大简化了硬件的设计。

图4-1系统电路图
5风速风向测试仪软件设计
5.1 风速测量程序设计
由测风传感器资料可知,Ｖ＝ 0.1 Ｆ,其中Ｆ为传感器输入到单片机的脉冲频率。

将Ｔ１做为定时器, 将Ｔ０作为计数器。

Ｔ１与Ｔ０同时工作, 如果Ｔ１
定时１秒, 则Ｔ０计数值即为此刻风速的１０倍。

由此可知最终的风速测量精度为0.1 ｍ /s。

LPC921 的两个定时计数器共有5 种工作模式,本系统选择模式1,即T0,T1 均为16 位定时器/ 计数器,THn 和TLn 级联,无预分频器。

系统选用7.373MHz 外部晶振, 在不预分频情况下, 定时计数器工作频率为:7.373/2MHz。

16 位的定时器在初值为0 的情况下, 溢出一次共计时次数为6 5 5 3 5(0xFFFFH),共计时时间为17.777ms,所以在定时器中断56 次之后共计延时约1 秒。

风速测量子程序流程图如图5-1 所示。

、
图5-1 风速测量子程序流程图
5.2 风向测量程序设计
风向测量先测得4 位格雷码的输入, 通过4 位输入值计算出格雷码, 再通过格雷码换算成二进制码, 最后通过查表法得出风向角度。

格雷码(Gray code),又叫循环二进制码或反射二进制码。

格雷码属于可靠性编码, 是一种错误最小化的编码方式, 因为, 自然二进制码可以直接由数/ 模转换器转换成模拟信号, 但某些情况, 例如从十进制的3 转换成4 时二进制码的每一位都要变, 使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。

而格雷码则没有这一缺点, 它是一种数字排序系统, 其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。

它在任意两个相邻的数之间转换时, 只有一个数位发生变化。

它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。

表1 方位- 角度- 格雷码- 二进制码对照表
十进制数自然二进制
数
格雷码十进制数
自然二进制
数
格雷码
0 0000 0000 8 1000 1100
1 0001 0001 9 1001 1101
2 0010 0011 10 1010 1111
3 0011 0010 11 1011 1110
4 0100 0110 12 1100 1010
5 0101 0111 13 1101 1011
6 0110 0101 14 1110 1001
7 0111 0100 15 1111 1000 n 位格雷码转换到n 位二进制码的逻辑关系式(B 代表二进制码,R 代表格雷码):
Wind_Tbl 数组里面依次存储的是二进制码对应的角度值, 该值来源于方位- 角度- 格雷码- 二进制码对照表, 该表由传感器资料提供。

如表1 所示。

5.3 C语言程序
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int //宏定义
sbit lcdrs= P1^0;
sbit lcden=P1^1;
#define Da P2 //液晶1602数据口
uint temp; //保存检测到的电平数据以便比较
uint count; //用于计数
uint aa,bb; //用于计数
uint speed; //用来计算转速
void delay(uchar z);
void time_init(); //定时器的初始化
void write_com(uchar com); //液晶写指令
void write_data(uchar date); //液晶写数据
void lcd_init(); //液晶初始化
void display(uint rate); //显赫速度
void int0_init(); //定时器0初始化
void main()
{
time_init(); //定时器的初始化
lcd_init(); //液晶初始化
int0_init(); //外部中断初始化
while(1)
{
}
}
void time_init()
{
TMOD=0x11; //两个定时器都设定为工作方式1 十六位定时计数器 EA=1; //开启总中断
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256; //定时初值
ET0=1;
TR0=1; //开中断
}
void int0_init() //加个防伪
{
EX0=1; //外部中断源可以申请中断
IT0=1; //外部中断源下降沿触发
}
void timer0() interrupt 1 using 0
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256; //装载初值 50ms
aa++;
if(aa==20) //1s 时间内统计脉冲个数
{
aa=0;
temp=count*10/16; //计算风速，每米转多少圈,每圈设定多少个脉冲进行计算
//（若设定风速为1m/s时，叶片每秒转2圈，每圈给传感器8个脉冲，屏幕显示的值为count/16）
count=0; //重新开始计数脉冲数
display(temp); //把计算得的结果显示出来
}
}
/*******外部中断*******************/
void service_int0() i nterrupt 0
{
count++; //来一个下降沿沿就计一个脉冲数
}
/*******显示函数***********/
void display(uint rate)
{
uchar wan,qian, bai,shi,ge; wan=rate/10000; //万转
qian=rate/1000%10; //
bai=rate/100%10;
shi=rate/10%10;
ge=rate%10;
write_com(0x80);
write_data('0'+wan);
write_data('0'+qian);
write_data('0'+bai);
write_data('0'+shi);
write_data('.');
write_data('0'+ge);
write_data('m'); //单位
write_data('/');
write_data('s');
}
/******延时函数********/
void delay(uint z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--) ;
/************写指令************/ void write_com(uchar com)
{
lcdrs=0;
Da=com;
delay(1);
lcden=1;
delay(1);
lcden=0;
}
/************写数据**********/
void write_data(uchar date)
{
lcdrs=1;
Da=date;
delay(1);
lcden=1;
delay(1);
lcden=0;
}
/************液晶初始化**********/ void lcd_init()
lcden=0;
write_com(0x38) ; //初始化
write_com(0x0c) ; //打开光标 0x0c不显示光标 0x0e光标不闪，0x0f光标闪
write_com(0x01) ; //清显示
write_com(0x80+0x40);
}
总结与展望
本次的小学期让我们在短短的一周中掌握了光电传感器的使用方法，大大加强了我们对其的认识，利用光电变换原理，把光电元件（如光敏晶体管、光敏电阻等）因周期性地受光强弱，而产生与被测轴的转速成比例的电脉冲信号，再经数字显示仪直接显示出转速值来，当被测轴转动时，投射到转轴上的光点遇到轴上的反光记号而产生的反射光线经聚光镜3、半透镜4及聚光镜5后投射到光敏管上，使光敏管感光，从而产生电脉冲信号，进而得出转速的数值。

这种传感器的特点是能实现非接触测量，测量精度高，但当信号脉冲频率较高时，信号有被减弱的弊病。

其测速范围为30~50000转/分。

这次小学期大大提高了我们对传感器这门课程兴趣，让我们认识到了传感器这门课程的重要性，总之，受益匪浅。

参考文献
[1] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年6月
[2] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993,29-33.
[3] 李建忠，单片机原理及应用，西安电子科技大学出版社，2007.11
[4] 何希才，传感器及其应用实例，机械工业出版社，2003.8。