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风向风速计电路
??:未知 ??:admin ??:2019-08-25 ??:
 

  这个设计精巧的电路非常适合于那些热心观测气象,特别是关注风速与风向的人们。仪器巧妙之处是:风向和风力的测量使用同一个传感器。即带有一个小尾舵的3翼片的旋转风速计。 这种特别设计的组合型传感器的一大优点是:风速计的结构比传统的仪表简单得多。从而大大减少了部件磨损和断裂损坏的风险。仪器将风向和风速读数显示在一个液晶显示器上。同

  这个设计精巧的电路非常适合于那些热心观测气象,特别是关注风速与风向的人们。仪器巧妙之处是:风向和风力的测量使用同一个传感器。即带有一个小尾舵的3翼片的旋转风速计。

  这种特别设计的组合型传感器的一大优点是:风速计的结构比传统的仪表简单得多。从而大大减少了部件磨损和断裂损坏的风险。仪器将风向和风速读数显示在一个液晶显示器上。同时,也可以通过串行接口与PC或NMEA兼容型的航海仪表连接。

  传统的风速/风向计,即使装在一个外壳中,也要使用两个不同的传感器。风速计功能的几种解决方法已经很常见,包括一个光学传感器、发送器和弹簧接触器。而最典型的设计是由带有3个半球型扇叶的转子组成,在通过霍尔传感器时会引起小量的磁场变化。本 项目中使用的传感器型号为UGN3503,能够提供每高斯1 mV的电压变化。这种后面将在图中讨论其细节的传感器,可以防止水和灰尘侵入,并且可以整体密封起来。其消耗能量很少,而且不会象弹簧开关那样,会引起较大的电子噪音。

  风向计通常可以使用一个电位器和光学格雷码编码器来实现。但在这里。使用直线型的霍尔传感器也是很好的选择。本文介绍的电路是一种Rotavecta式风速计系统的简化版本。其最大的优点来源于在总体结构上减去了用于风向测量的机械部件。仅留下了3个扇叶的风速测量部件。

  系统的关键点是:在转子上的某个半球型的扇叶上有一个小的风向舵。在风速计旋转中,这个风向舵根据其与风向的相对位置不同。便产生加速度或减速度。如果我们假设一个与风向有关的参考角度(在固定部件上),使用两个互成90角的传感器,就能够判定风的方向。其计算方法是:首先测量(每个传感器)在转子转动一周中各传感器的速度平均值。而风向的每次变化将会引起两个传感器平均值的变化。然后对照与两个输入信号对应的角度参考表。微处理器就能够计算并显示风向的角度(以度表示)。由于在本风速/风向计系统中,两个霍尔传感器能提供与磁场变化成比例的电压值。每个传感器都提供类似于正弦波的电压(见图1)。其频率会随风速的增加而增加。而其平均值则可以直接指示出风的方向。

  结构细节显示在框图(图2)中。起始点是一对霍尔传感器,互成90角安装。两个线性放大器,每个传感器一个。用于调整传感器信号,然后加到ADC(模/数转换器),再加到微处理器中。限制器用于防止在PIC16F876的数据采集/比较输入端过载。微处理器还用于驱动LCD。同时可以输出一个与NMEA兼容的串行信号。可以送到PC机或类似的导航仪表中。框图中所涉及其他相关问题,将结合电路图加以讨论。

  图3中的电路原理图并不算太复杂。电路的核心部分是由微控制器PIC16F876和一个两路线性放大器芯片组成。从本文最后给出的网站上,能够下载关于PIC系列的资料。这里使用的PIC处理器带有闪存,并且可以通过串行口进行简单编程。在板上,可以看到一个10位的ADC,带有两个输入口。与采集/比较模块一样,有一个输入口用于测量参考信号的周期。使用线)的信号放大级来将PIC内置的ADC调整到最佳效果,以决定输入的时间间隔。两个UGH3503传感器IC5和IC6是通过4线连接器接到主板上的。

  石英晶体×1和两个小负载电容一起,产生16MHz的时钟频率。连接器K1使电路可以通过串行口连接到PC机上。LCD驱动电路使用的R/W信号和Enabel(使能)信号和RS(复位)信号都在连接器K2上。在目前情况下,只需要4根数据线位模式工作。跳线用于选择两种工作模式:NMEA模式使用JP1;ETAL模式使用JP2。

  板上电源通过12V直流适配器从市电得到其初始电压,作为代换,也可以用9V电池来为系统供电。在那种情况下,C7和稳压电路IC3可以省掉,同时在正常的781—08的安装孔,输入和输出脚之间加一连接导线给出了组装好的电路板的外观。而布线情况可以在PCB板背面看到。电路板包括主板和传感器板两部分。板子细长的形状是为了使它能够安装到32mm直径的PVC管子当中去。可直接安装在传感器的下面。注意:这里的可调电位器P1~P4都能够从上面够得着。各元件在板子上的实际位置图上是很清楚的。安装时,最好先从小元件开始焊接。×1是一个装在小外壳中的石英晶一旦TUNE软件开始运行,就可以开始收集 校准数据。PIC是元件中最昂贵的,因此,最好 安装在高质量的插座上。

  霍尔传感器适当地安装在一个小圆形电路板上。它是从主电路板上切割下来的。各传感器需要精确地安装在同样高度上。然后将电路板装在PVC管开口的一端。再用环氧树脂将另一端封住。主轴使用3mm的金属杆做成的。装在滚珠轴承或特氟隆轴承上。在样机中,我们用树脂胶将小块磁铁粘到轴上,同样粘上滚珠轴承。转子和它的3个半球型的风扇叶必须紧紧地固定在轴上。这样的转子可以从特定的自动化商店作为剩余品购得。转子的3个半个乒乓球形的结构作起来是不容易的,可能遇到的一个意想不到的困难是:需要达到准确的机械平衡。而这一点很难达到,因为在其中一个 ANEMO软件运行的实例。其值会以类似形式显示在LCD显示器上半球形扇叶上带有一个尾翼。

  放大器调整接通电源开关之后需要做的第一件事就是调整4个多圈预置电位器P1~P4。调整的要求是:使得IC1a和TC1b的输出信号能够覆盖O.5~4.5V的范围。调整工作需借助于脉冲示波器或TUNE软件来进行。使用示波器时,需密切观察在IC1的1和7脚上的信号,同时使风速转子转动起来,比如使用吹风机来吹动它。这时调整P1和P4以改变放大倍数;调整P2和P3以改变偏置;从而得到最好的性能。要确保正弦波信号保持在0.5~4.5V之间并且没有被限幅削波。调整目标是达到图1中所示的最佳状态。如果你没有示波器,可以用PC机和软件代替它。TUNE软件的MIN/MAX函数能够提供根据测量值画曲线的功能。这需要用两个操作仪表接到PC机上。在启动程序之后。单击‘MIN/MAX’按钮,然后开始观察,‘MIN/MAX’信号会在几秒钟后出现。风速值调整风速计对转子的转速进行测量,然后进行计算,公式如下:

  显示的速度值取决于常量K。其默认值为35500。程序TUNE计算的常量的调整基于测量的速度和实际速度之间的比较(例如可以借助于一个汽车的速度表来获得)。速度系数K风速的调整(在.HEX文件中的初始值在必要时可以修改)可以简化为用(a)显示在LCD上的速度与(b)实际速度和(c)已经存放到存储器中的速度相比较。但不管那种情况,首先都需要从PIC中读出。程序TUNE接着将显示。‘x.y(z)’,在这里 z=速度系数=v+256x

  由于磁铁在受力的大小和方向上会有差别。所以我们不得不对每个UGN3503传感器芯片分别做标定曲线。这个过程使得能够得到较高的风速测量精度。由吹风机产生的气流对于进行精密的风向测量来说显得太集中了,不象真的气流会有变化。

  在这里我们可以借助于调整软件的帮助。为使系统具有计算风向的能力,每个传感器要连接到可取72个采样值(每5-步)的检查仪表上。调整程序为每个曲线个插值点,所以总共需要16个值。换句线角需要测量两个点。标定的方法可以采取在两次测量之间使风速计转动45。同时必须保证读数稳定。其值在READ PIC命令之后可以在LCD或PC机显示器上连续观察(借助于COM口)。此值还需要输入到类似图5所示的那种表里。一旦这个表格完成,函数‘Curve’(曲线个精确测量值的基础上计算出所需要的72个值。接着就可以使用两次这72个值来画出曲线。

  在必须进行一些平均值的测定的初始化阶段之后,风速与风向仪会以与NMEA输出同样的格式向LCD传送其数据。虽然NMEA0183(或NMEA183)标准陈旧了一些,但也还是经常可以看到它应用于航海电子设备中。在本应用情况下,NMEA的语句应为:

  在这里‘$WIVWR’的意思是气象仪器,VWR是风速计信息的标准字头;‘dir’是以度表示的风向;而‘vit’是以km/h(千米/小时)表示的风速。软件ANEMO使得这些内容能够实时地显示在PC机的屏幕上。

  很明显。这一台风速/风向仪的结构研制和调整要求一些机械方面的知识。但只要细心校准后,这台仪器会以其非常有效的工作给以你极好的报答和惊喜。


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