测风速风向传感器设计

风速风向测试仪

报告书

姓 名

任文净 学 号 20086536 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.