測風速風向傳感器設(shè)計

2008級傳感器課程設(shè)計風速風向測試儀報告書姓 名任文凈學 號院、系、部電氣系專 業(yè)電氣工程及其自動化目 錄1 課程設(shè)計任務(wù)書22 概述32.1 風速風向儀簡介32.2 風速風向儀原理及特性33 光電傳感器53.1 光電傳感器簡介53.2 光電傳感器原理及特性63.3 光電式傳感器的選型73.4 信號處理模塊分析74 基于光電傳感器的硬件電路設(shè)計84.1電路的設(shè)計85風速風向測試儀的軟件設(shè)計85.1 風速測量程序設(shè)計85.2 風向測量程序設(shè)計95.3 C語言程序11總結(jié)與展望17參考文獻171 課程設(shè)計任務(wù)書風速風向測量是氣象監(jiān)測的重要組成部分, 測量風速風向?qū)θ祟惛玫匮芯考袄蔑L能和改善生活生產(chǎn)有積極的影響。一、主要內(nèi)容設(shè)計制作風速風向測試儀：1風速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風速組件，由三個碳纖維風杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當風杯受水平風力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率的信號。2風向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉(zhuǎn)動時，通過軸帶動碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生的光電信號對應(yīng)當時風向的格雷碼輸出。二、基本要求1. 實現(xiàn)基本功能2完成3000字設(shè)計報告3. 發(fā)揮部分，設(shè)計信號采集顯示部分，完成信號傳輸。三、主要技術(shù)指標（或研究方法）測量范圍 070m/s 0360 精 度 （0.3+0.03V）m/s 6（ 3） 最大回轉(zhuǎn)半徑 90 m m 365 m m 分 辨 率 0.1 m/s 5.6（ 2.8） 起動風速 0.5m/s 0.5m/s 輸出形式 方波 6位（7位）碼（或電壓） 工作電壓 5V12V 5V12V 工作電流 10mA 20mA （或23mA） 工作環(huán)境 溫度-6050 濕 度100RH 溫度-6050 濕度100RH 2 概述2.1 風速風向儀簡介風向、風速儀用于測量瞬時風速風向，具有自動顯示功能。主要由支桿，風標，風杯，風速風向感應(yīng)器組成，風標的指向即為來風方向，根據(jù)風杯的轉(zhuǎn)速來計算出風速。內(nèi)置或外接各種進口原裝傳感器，采用微功耗單片機對外部數(shù)據(jù)進行采樣，并將采集的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)不易失存儲器內(nèi)。風向風速儀由微處理器和高動態(tài)特性的測風傳感器組成。它適用于氣象、能源、環(huán)保、農(nóng)林以及軍工等場所測量風向風速。本儀器體積小，重量輕，功能全，可廣泛用于 農(nóng)林、環(huán)保、海洋、科學考察等領(lǐng)域測量大氣的風參數(shù)。風速風向儀由風速傳感器和風向傳感器組成。 1、風向部分：由風向標、風向度盤（磁羅盤）等組成，風向示值由風向指針在風向度盤上的位置來確定。 2、風速部分：采用傳統(tǒng)的三環(huán)旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)，儀器內(nèi)的單片機對風速傳感器的輸出頻率進行采樣、計算，最后儀器輸出瞬時風速、一分鐘平均風速、瞬時風級、一分鐘平均風 級、平均風速及對應(yīng)的浪高。測得的參數(shù)在液晶顯示器上用數(shù)字直接顯示出來。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。 風速傳感器 風向傳感器圖2-1傳感器結(jié)構(gòu)圖2.2 風速風向儀原理及特性風速風向儀的工作原理：風速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風組件，由三個碳纖維風杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當風杯受水平風力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率的信號。 風向傳感器的變換器采用精密導電塑料電位器，當風向發(fā)生變化，尾翼轉(zhuǎn)動通過軸桿帶動電位器軸芯轉(zhuǎn)動，從而在電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出。風向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉(zhuǎn)動時，通過軸帶動碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生的光電信號對應(yīng)當時風向的格雷碼輸出。風速風向儀的特性：1.數(shù)據(jù)記錄儀全程跟蹤記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準確、記錄時間長。 2.記錄風速風向的參數(shù)的變化，可以隨時記錄數(shù)據(jù)。3.記錄時間間隔可以在記錄儀應(yīng)用軟件上進行設(shè)置，2秒至24小時任意可調(diào)，風速風向的變化隨著時間的變化而變化，監(jiān)測過程中風俗風向的變化值實時保存在電腦的硬盤中，十分方便。3 光電傳感器3.1 光電傳感器的簡介光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。 光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。實物圖如3-1。 圖3-1光電傳感器實物圖3.2 光電傳感器的原理及特性光電傳感器原理：由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換 成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān). 光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電 載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流很小，比一般三極管的穿透電流還??；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。光電傳感器的特性：檢測距離長 如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測。 對檢測物體的限制少 由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。 響應(yīng)時間短 光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。 分辨率高 能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 可實現(xiàn)非接觸的檢測 可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 可實現(xiàn)顏色判別 通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進行檢測。 便于調(diào)整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。3.3光電式傳感器選型及介紹本設(shè)計選用的是反射式光電傳感器，反射式光電傳感器廣泛應(yīng)用于點鈔機、限位開關(guān)、計數(shù)器、電機測速、打印機、復(fù)印機、液位開關(guān)、金融設(shè)備、娛樂設(shè)備（自動麻將機）、舞臺燈光控制、監(jiān)控云臺控制、運動方向判別、計數(shù)、電動繞線機計數(shù)、電能表轉(zhuǎn)數(shù)計量反射式光電傳感器的工作原理：自帶一個光源和一個光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息?？梢杂脕頇z測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。其特點為，1、安裝接線簡便；2、安裝使用時便于光路對齊；3、不受被檢物的形狀、顏色和材質(zhì)影響；4、相對于對射式光電傳感器，節(jié)省安裝使用空間。3.4 信號處理模塊分析在該信號處理是光電傳感器收集到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由放大電路把采集到的信號放大輸入單片機進行計數(shù)。該放大電路是將采集到的2.2V電壓信號放大為5V的電壓信號輸入即可。4 基于光電傳感器的硬件電路設(shè)計4.1電路的設(shè)計本次設(shè)計系統(tǒng)的原理圖如圖4-1所示，通過電路與單片機的通信即可從數(shù)碼管讀出要檢測的脈沖數(shù)，電路簡單，精度高，容易實現(xiàn)，大大簡化了硬件的設(shè)計。 圖4-1系統(tǒng)電路圖5風速風向測試儀軟件設(shè)計5.1 風速測量程序設(shè)計由測風傳感器資料可知, 0.1 ,其中為傳感器輸入到單片機的脈沖頻率。將做為定時器, 將作為計數(shù)器。與同時工作, 如果定時秒, 則計數(shù)值即為此刻風速的倍。由此可知最終的風速測量精度為0.1 /s。LPC921 的兩個定時計數(shù)器共有5 種工作模式,本系統(tǒng)選擇模式1,即T0,T1 均為16 位定時器/ 計數(shù)器,THn 和TLn 級聯(lián),無預(yù)分頻器。系統(tǒng)選用7.373MHz 外部晶振, 在不預(yù)分頻情況下, 定時計數(shù)器工作頻率為:7.373/2MHz。16 位的定時器在初值為0 的情況下, 溢出一次共計時次數(shù)為6 5 5 3 5(0xFFFFH),共計時時間為17.777ms,所以在定時器中斷56 次之后共計延時約1 秒。風速測量子程序流程圖如圖5-1 所示。、圖5-1 風速測量子程序流程圖5.2 風向測量程序設(shè)計風向測量先測得4 位格雷碼的輸入, 通過4 位輸入值計算出格雷碼, 再通過格雷碼換算成二進制碼, 最后通過查表法得出風向角度。格雷碼(Gray code),又叫循環(huán)二進制碼或反射二進制碼。格雷碼屬于可靠性編碼, 是一種錯誤最小化的編碼方式, 因為, 自然二進制碼可以直接由數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號, 但某些情況, 例如從十進制的3 轉(zhuǎn)換成4 時二進制碼的每一位都要變, 使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點, 它是一種數(shù)字排序系統(tǒng), 其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個數(shù)字不同。它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時, 只有一個數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。表1 方位- 角度- 格雷碼- 二進制碼對照表十進制數(shù)自然二進制數(shù)格雷碼十進制數(shù)自然二進制數(shù)格雷碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000n 位格雷碼轉(zhuǎn)換到n 位二進制碼的邏輯關(guān)系式(B 代表二進制碼,R 代表格雷碼):Wind_Tbl 數(shù)組里面依次存儲的是二進制碼對應(yīng)的角度值, 該值來源于方位- 角度- 格雷碼- 二進制碼對照表, 該表由傳感器資料提供。如表1 所示。5.3 C語言程序#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int /宏定義sbit lcdrs=P10;sbit lcden=P11;#define Da P2 /液晶1602數(shù)據(jù)口uint temp; /保存檢測到的電平數(shù)據(jù)以便比較 uint count; /用于計數(shù) uint aa,bb; /用于計數(shù)uint speed; /用來計算轉(zhuǎn)速void delay(uchar z);void time_init(); /定時器的初始化void write_com(uchar com); /液晶寫指令void write_data(uchar date); /液晶寫數(shù)據(jù)void lcd_init(); /液晶初始化void display(uint rate); /顯赫速度void int0_init(); /定時器0初始化void main() time_init(); /定時器的初始化 lcd_init(); /液晶初始化 int0_init(); /外部中斷初始化 while(1) void time_init() TMOD=0x11; /兩個定時器都設(shè)定為工作方式1 十六位定時計數(shù)器 EA=1;/開啟總中斷 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; /定時初值 ET0=1; TR0=1; /開中斷 void int0_init() /加個防偽 EX0=1; /外部中斷源可以申請中斷 IT0=1; /外部中斷源下降沿觸發(fā)void timer0() interrupt 1 using 0 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;/裝載初值 50ms aa+; if(aa=20) /1s 時間內(nèi)統(tǒng)計脈沖個數(shù) aa=0; temp=count*10/16; /計算風速，每米轉(zhuǎn)多少圈,每圈設(shè)定多少個脈沖進行計算 /（若設(shè)定風速為1m/s時，葉片每秒轉(zhuǎn)2圈，每圈給傳感器8個脈沖，屏幕顯示的值為count/16） count=0; /重新開始計數(shù)脈沖數(shù) display(temp); /把計算得的結(jié)果顯示出來 /*外部中斷*/void service_int0() interrupt 0 count+; /來一個下降沿沿就計一個脈沖數(shù) /*顯示函數(shù)*/void display(uint rate) uchar wan,qian, bai,shi,ge; wan=rate/10000; /萬轉(zhuǎn) qian=rate/1000%10; / bai=rate/100%10; shi=rate/10%10; ge=rate%10; write_com(0x80); write_data(0+wan); write_data(0+qian); write_data(0+bai); write_data(0+shi); write_data(.); write_data(0+ge); write_data(m); /單位 write_data(/); write_data(s); /*延時函數(shù)*/ void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-) ; /*寫指令*/ void write_com(uchar com) lcdrs=0;Da=com;delay(1);lcden=1;delay(1);lcden=0;