测风速风向传感器设计

测风速风向传感器设计 风速风向测试仪 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 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 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。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。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 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。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 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。 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。数据记录仪全程跟踪记录数据，数据准确、记录时间长。 记录风速风向的参数的变化，可以随时记录数据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。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。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。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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。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。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，节省安装使用空间在风速测量程序设计由测风传感器资料可知,,, 0.1 ,,其中,为传感器输入到单片机的脉冲频率。将,,做为定时器, 将,,作为计数器。,,与,,同时工作, 如果,,定时,秒, 则,,计数值即为此刻风速的,,倍。由此可知最终的风速测量精度为0.1 , /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 次之后共计时约1 秒。风速测量子程序流程图如图 所示。 图5-1 风速测量子程序流程图.2 风向测量程序设计风向测量先测得 位格雷码的输入, 通过 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 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。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. 13 1- ※※※※※※※※※ ※※ ※※ ※※ ※※※※※※※※※ 2008级 传感器课程设计