测量风速风向

仪器科学与电气工程学院

本科生科技学术实践“六个一”工程

调研报告

风速风向测量

——“车载微型气象站”大创项目

学生姓名*** 班级** 学号****

指导教师***

学院*********

专业******

光电编码器测量风速风向

摘要：

由于气象事业已经和人们的民用和工业活动密不可分,在国防建设、社会进步、经济发展中,气象采集技术扮演着重要的角色,同时随着国家可持续发展战略的实施,气象采集技术对我们越来越重要；随着人们对气象信息需求的不断变化,传统的气象观测模式已经无法满足人们的需要,因此,自动气象数据采集技术在我国有了很好的发展；气象数据采集系统的物联性直接影响着数据实用性,从而,如何实现广泛地从全国各地以致世界各地采集数据信息并汇总,今后必然是极其有意义的一个研究方向。

本项目设计目的是研究物联网式、低成本、大范围地对各地风速风向数据进行采集。使用51单片机和光电编码器可以实现要求，故计划设计一套基于51单片机的光电编码器风速风向测量系统,以stc52芯片为核心,采用了模块化的设计思想,根据电路功能是的测量数据数字化，实现单片机对风速风向数据的接收、处理、校准等工作。同时在软件设计中采用了外部中断对接收信号进行计数和通过计时器进行定时数据处理的数据处理方法来精确定位计数脉冲经历的时间,对程序进行了整体优化。保证系统可实现风参数的精确测量、实时显示及与sd卡存储等功能。

关键词：风速风向；光电编码；单片机

一.调查方案与背景分析

1．调研主要内容、目标与方案（途径）简介

调研内容：（1）背景现状与发展前景，（2）测量方式，（3）工作原理（4）技术方案与技术指标，（5）优点和缺陷。

调研目标：（1）了解风速风向系统测量方法的设计原理和技术方案；

（2）了解光电编码器的工作原理；

（3）分析发现现有系统的优点以及存在的问题和缺陷。

调研方案：（1）网上搜寻关于风速风向的测量的研究现状；

（2）咨询老师学长学姐；

（3）与队友探讨原理和技术方案。

2. 研究背景与前景

转速是工程应用中非常广泛的一个参数，其测量方法较多。传统的转速测量方法主要采用直流测速机，其原理是由被测电机拖动测速发电机，再对测

速发电机产生的电压进行模拟量转换，得出转速。这种方法测量范围小，精度低，测量装置复杂，已不能适应现代化科技发展的要求。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理，在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。随着工农业生产( 包括电力) 的发展，对风速风向监测指标提出了更高的要求，研制响应快"精度高"可靠性强"智能化"人性化的风速风向测量系统已是必然趋势。

目前除了机械式风速仪，超声波风速风向仪和基于热偶的二维风速风向传感器的研究也很热门。

相对于传统的机械式风速仪，超声波风速风向仪采用固态设计，没有旋转部件，不存在因磨损产生的故障和测量误差，非常适合在恶劣的天气条件下使用，且原则上启动风速为0，没有测量上限，是理想的测量风速风向的仪器，具有广泛的应用前景。

基于热偶的二维风速风向传感器结构相对简单,采用热损失工作原理,能够

同时测量风速和风向信息,但是采用基于三角函数法[13]的风向测量受到风速大小的限制,当风速过大时,传感器单端输出信号会饱和,因此存在一定的局限性。基于晶体管的圆形加热条的二维风速风向传感器,采用晶体管测温,风向测量基于高斯函数法[14],不受风速量程限制。传感器采用多晶硅圆环加热,八个具有对称分布的晶体管测量温度分布,中心晶体管测量芯片温度,传感器结构简单,且与CMOS工艺兼容,如图3所示。

图3 基于晶体管的圆形加热条的二维风速风向传感器

二维风速计一般通过负反馈电路进行工作模式控制,测量风速采用模拟运算电路能够实现,但是测量风向一般采用三角函数法或高斯函数法,需要进行三角函数或指数运算,采用纯电路形式实现非常困难。因此针对目前二维风速计的控制以及风向测量困难等问题,设计了一种基于微控制器的风速计在线控制与测量系统,能够自动识别并兼容多种工作模式控制与测量需求,显著提高了风速计的在线控制能力及其风速风向测量精度。

鉴于本次项目对设计简单实用，体积小，能耗小，费用低的要求。在传统风杯式风速风向测量基础上进行改进，采用光电编码器进行测量风速风向，满足要求。

本文介绍了一种以AT89C51 单片机为核心的风速风向测量方法，其主要工作过程为：在一定的定时时间内测出光电编码器的脉冲数，脉冲数除以码盘的孔数后再除以定时时间，就为风叶的转速，用A、B两相的时差测量转过的角度从而得到风向。单片机复位后角度为0，将风向标对准北，启动系统得到的角度就能对应到东西南北四个方向。

二.具体实施方案设计

1.光电编码器工作原理

1.1增量式光电编码器结构及其工作原理

通过查找相关资料，了解到增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1-1 所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2 所示。增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。

图1-2 增量式光电编码器的输出信号波形

1.2增量式光电编码器基本技术规格

在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形