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

式。

（1）分辨率

光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出脉冲数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。本次实验所采用的编码器A、B相的分辨率是1000，Z相的分辨率为1。 （2）精度

增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。 （3）输出信号的稳定性

编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。 （4）响应频率

编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如以下公式所示。

（5）信号输出形式

由于光栅的作用，产生脉冲，信号就是以脉冲的形式输出的，产生脉冲的时候，输出是高电平，当光线处于两个光栅之间时，输出低电平。测量风速风相就是基于A、B、Z三相的这种输出特点进行测量的。

2.系统方案设计

2.1风向测量方案

方案一：

图2.1 A、B两相信号相位关系变化

由图3.1列出A、B两相信号由于换向可能出现的所有情况，其计数原则： ①A为上升时沿，B=0,计数器加1； ②B为上升时沿，B=1,计数器加1； ③A为下降时沿，B=1,计数器加1； ④B为下降时沿，A=0,计数器加1； ⑤B为上升时沿，B=0,计数器减1； ⑥A为上升时沿，B=1,计数器减1； ⑦B为下降时沿，B=1,计数器减1； ⑧A为下降时沿，B=0,计数器减1；

优点：这种方法不仅能实现鉴相，而且可以消除抖动干扰。 缺点：对于上升沿、下降沿的判断使用查询编程实现较复杂，A脉冲接到I/O端口P1.0，脉冲接到I/O端口P1.1，相脉冲接到I/O端口P1.2经实验尝试，风向显示不灵敏，查询比较费时。 方案二：编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INT1，B向脉冲接到I/O端口P1.0，Z向脉冲接到I/O端口P1.1。当系统工作时，首先要把INT0设置成下降沿触发，并开相应中断。当有有效脉冲触发中断时，进行中断处理程序，判别B脉冲是高电平还是低电平。若是高电平,则编码器正转，加1计数；若是低电平,则编码器反转，减1计数。为了减小由于误差，设定Z相为参考产生脉冲的地方为参考位置，起到校准的作用，每次Z产生脉冲的时候，度数都清零。

优点：如图3.1所示，方案二只应用到A、B两相信号相位关系变化中③和

⑧两种情况，但是使用中断进行判断，反应比较灵敏。Z相为参考产生脉冲的地方为参考位置，起到校准的作用，可以保证精度的实现。

缺点：只应用③和⑧两种情况，检测的精度相对降低，但是能基本满足要求。 综合考虑方案一和方案二，方案二比较容易实现，也能基本达到实验要求，故选择方案二。

2.2风速测量方案

由于光电码盘与电动机同轴， 电动机旋转时， 光栅盘与电动机同速旋转， 经发光二极管等电子器件组成的检测装置检测输出若干个脉冲信号， 通过计算每秒A相光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速， 即： n=N/（mT） （1） 式中： n—转速（r/s）； N—采样时间内所计脉冲个数；T—采样时间（s）； m—每旋转一周所产生的脉冲个数（本次实习采用的编码器A相的分辨率是1000）。 光电编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INT0，用于计脉冲数N，再使用单片机里面的定时器T0进行定时T。

3.系统硬件设计方案

3.1 STC89C52单片机主电路

按照功能，STC89C52的引脚可分为主电源、外界晶振或振荡器、多功能I/O口，以及控制、选通和复位四类。

尽管均可作普通I/O口用，但P0~P3口的结构和驱动能力有所不同：P1、P2、P3是内部带上拉电阻的8位准双向口，不必外接上拉电阻，每个端口可带4个TTL；P0口是开漏结构的8位准双向口，作普通I/O口时必须外接上拉电阻，每个端口可带8个TTL负载。所以在外接LCD1602的时候P0口加了1K的上拉电阻。

引脚复用功能P0、P2口为普通I/O口和总线复用口，P1的部分和P3的全部端口具有第二功能。STC89C52的I/O口具有自动识别特性。即P0、P2口的总线复用和P1、P3口的第二功能，都是由单片机内部自动选择的，不需要使用者通过指令去设定。

STC89C52可外接晶振或振荡器，频率范围0~33MHz，外接振荡器时XTAL2浮空，该电路图中，我选择接入了一个12M的晶振，以实现晶体振荡电路。

主电路的PROTEUS仿真图见图3.1，P0接LCD的数据口D0~D7,P2.0、P2.1、P2.2分别接LCD的rs、rw、e。测速光电编码器A 相接P3.2,测向光电编码器A相接P1.0,Z相接P1.1，B相接P3.3。

图3.1 单片机连接原理图

3.2 1602显示屏电路

图3.2 LCD1602连接原理图

1602共16个管脚，但是编程用到的主要管脚不过三个，分别为：RS(数据命令选择端),R/W（读写选择端）,E（使能信号）;编程便主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。 以下具体阐述这三个管脚：

RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。 R/W为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作。 E端为使能端，后面和时序联系在一起。

除此外，D0~D7分别为8位双向数据线，3号管脚为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

4.系统软件设计

4.1风向模块 程序流程图见图5.3 4.2风速模块

测速程序流程图见图5.2 4.3主程序模块 程序流程图如下图

图4.1主程序流程图 图4.2测量风速程序流程图

图4.3测量风向程序流程图

5．系统测试结果及分析

1.程序实现：测量到的数据处理过程尽量另列子函数，然后在主函数中添加即可，如果放在中断函数中，程序运行需要占用时间，会影响中断相应的灵敏度。这个从实验的时候的程序测试与查询方式相比较,中断方式对于编码器状态的变化响应及时,此外单片机可以看到。中断内部尽量简洁，保证它的灵敏度

一般来说，中断方式要比工作在查询方式下占用的系统资源少得多, 大部分时间处于空闲状态,可以及时的完成数据输出,实时性更高。而且可靠性会有所提高,所以这里提出一种中断计数方式。这也是本次实验采用中断方式的原因。

2.数据处理：测量到的风速风向为一定时间内的脉冲个数，在进行与风速的转换过程中，需要与标准风速计进行校准，进行近似拟合，使得求得的最终风速风向数据更加准确。

6．结论

本文提出的一种对光电编码器的输出脉冲进行处理方法，给出了基于单片机以硬件和软件相结合所构成的光电编码器计数器，该计数器结构简单，计数性能和精度高，计数器输出形式及输出量均可以根据用户需求改变。用于测风速风向的稳定性高。

参考文献：

[1] 徐明,朱庆春. 风向风速测量仪设计[J]. 气象水文海洋仪器. 2008(04)

[2] 丁向辉,李平,孟晓辉. 高精度超声风速测量系统设计与实现[J]. 仪表技术与传感器. 2011(02)

[3] 王素玲. 机械式风速表的维修与检定方法[J]. 山西煤炭. 2014(08)

[4] 许 理,赵英俊. 基于单片机的增量式光电编码器接口的设计. 华中科技大学, 1001 2257(2006)12 0009 03

[5]张秀香, 电动机转速的微机测量系统。电子工程师，2002年（第28卷）第四期

[6] 唐中燕，杨静；电子测量技术, Electronic Measurement Technology, 2001年03期

[7]单片机原理及应用/何桥主编.-北京：中国铁道出版社，2007.12 [8]谭浩强.C语言程序设计.北京：清华大学出版社，1994

[9] 金 锋,卢 杨,王文松,等.光栅四倍频细分电路模块的分析与设计[J].北京理工大学学报, 2006, 26 (12): 1073-1076.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/px4o.html