CN104142408A - 一种光电式风向风速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种光电式风速风向测量装置，包括单片机、显示模块、时钟模块、复位模块、电源模块、风向测量模块、风速测量模块，单片机型号为STC89CS52；显示模块包括位驱动芯片、段驱动芯片和至少8个LED显示器，LED显示器通过位驱动芯片和段驱动芯片连接到单片机上；时钟模块和复位模块连接到单片机上；电源模块的通过变压器的输入端连接220V市电，电源模块为整个装置提供电力供应；所述风向测量模块和风速测量模块均采用光电编码器作为核心器件，所述的风向测量模块和风速测量模块分别连接到单片机上。该装置稳定性高，可以实现风向风速的大范围、高精度实时测量和显示。

Description

一种光电式风向风速测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体地说是一种光电式风速风向测量装置。

背景技术

在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。

我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，风力发电是很有前途的。尤其是目前能源紧张，风力发电成为新潮发电方式的情况下，对风速风向的测量和控制尤为重要。

风对农业也会产生很大的影响。风能传播病原体，蔓延植物病害。高空风是粘虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、飞蝗等害虫长距离迁飞的气象条件。大风使叶片机械擦伤、作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。大风还造成土壤风蚀、沙丘移动，而毁坏农田。在干旱地区盲目垦荒，风将导致土地沙漠化。牧区的大风和暴风雪可吹散畜群，加重冻害。地方性风的某些特殊性质，也常造成风害。由海上吹来含盐分较多的海潮风，高温低温的焚风和干热风，都严重影响果树的开花、座果和谷类作物的灌浆。防御风害，多采用培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗风品种。营造防风林，设置风障等更是有效的防风方法。所以测量风速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。

早期的测量系统无论是结构上还是测量方法上都比较简单，大多数情况下就是使用一些简单的仪表，完全由人来进行转速测量，整个系统虽然成本较低，但实现的功能单一，可靠性不高，测量范围和测量精度都较低。

发明内容

    为了解决上述问题，本发明提供了一种光电式风速风向测量装置，采用光电式的电路设计，可以实现风向风速的高精度、大范围实时测量和显示。

本发明采用以下技术方案：一种光电式风速风向测量装置，其特征在于，包括单片机、显示模块、时钟模块、复位模块、电源模块、风向测量模块、风速测量模块，所述的单片机的型号为STC89CS52；所述的显示模块包括位驱动芯片、段驱动芯片和至少8个LED显示器，所述的LED显示器通过位驱动芯片和段驱动芯片连接到单片机上；所述的时钟模块和复位模块连接到单片机上；所述的电源模块的通过变压器的输入端连接220V市电，电源模块的输出端分别连接单片机、显示模块、复位模块、风向测量模块、风速测量模块，为整个装置提供电力供应；所述风向测量模块和风速测量模块均采用光电编码器作为核心器件，所述的风向测量模块和风速测量模块分别连接到单片机上。

进一步的，所述的电源模块包括变压器T1、全波整流桥D1、极性电容C1、电容C2、电容C3、稳压芯片U1，所述的变压器T1的高压输入端连接220V市电，变压器T1低压输出端连接全波整流桥D1的两个输入端，全波整流桥D1的两个输出端分别连接极性电容C1的两端，且极性电容C1的负极接地，电容C2与极性电容C1并联，稳压芯片U1的第一引脚连接极性电容C1正极，稳压芯片U1的第二引脚通过电容C3接地，稳压芯片U1的第三引脚接地，稳压芯片U1的第二引脚为供电电压输出端。

进一步的，所述的风速测量模块包括增量式光电编码器、施密特触发器U2、电阻R1、电阻R2、三极管Q1、光耦U3、电阻R3，所述增量式光电编码器的两个输入端分别连接供电电压和地端，所述增量式光电编码器的输出端连接施密特触发器U2的第一引脚，所述施密特触发器U2的第二引脚连接电阻R1一端，电阻R1的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接光耦U3的第二引脚，光耦U3的第一引脚通过电阻R2接供电电压，光耦U3的第三引脚通过电阻R3接供电电压，光耦U3的第四引脚接地。

进一步的，所述的风向测量模块包括绝对式光电编码器、施密特触发器U4、电阻R4、电阻R5、三极管Q2、光耦U4、电阻R6，所述绝对式光电编码器的两个输入端分别连接供电电压和地端，所述绝对式光电编码器的输出端连接施密特触发器U4的第一引脚，所述施密特触发器U4的第二引脚连接电阻R4一端，电阻R4的另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接光耦U5的第二引脚，光耦U5的第一引脚通过电阻R5接供电电压，光耦U5的第三引脚通过电阻R6接供电电压，光耦U5的第四引脚接地。

进一步的，所述的复位模块包括电阻R7、按键S1、电阻R8、电容C4，所述电阻R7的一端接供电电压，电阻R7的另一端连接按键S1一端，按键S1另一端分别连接电阻R8一端和单片机RST引脚，电阻R8的另一端接地，所述电容C4的一端接供电电压，C4的另一端接单片机RST引脚。

本发明的有益效果是：该装置基于光电式的测量原理，设计了全新的风向和风速测量电路，通过对信号的快速处理，将风向和风速转化为精确的数字显示出来，不仅可以对风速范围在0－9999rpm内的测量误差不超过5%，而且能够对于风向在0-360°范围内进行测量，在多圈旋转的情况下能够实现单圈自动归零。为了保证装置更好的工作，设计了可以提供稳定电压的电源电路，保证了电力供应的稳定性，此外，还利用RC复位电路作为本装置的复位电路，保证了多次重复复位的稳定性，提高了本装置的使用可靠性。

附图说明

 图1是本发明的原理结构示意图；

 图2是本发明电源模块的电路原理图；

 图3是本发明风速测量模块的电路原理图；

 图4是本发明风向测量模块的电路原理图；

 图5是本发明复位模块的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示的一种光电式风速风向测量装置包括单片机、显示模块、时钟模块、复位模块、电源模块、风向测量模块、风速测量模块，所述的单片机的型号为STC89CS52，完成脉冲的读取与传送；所述的时钟模块和复位模块连接到单片机上；所述的电源模块的通过变压器的输入端连接220V市电，电源模块的输出端分别连接单片机、显示模块、复位模块、风向测量模块、风速测量模块，为整个装置提供电力供应；所述风向测量模块和风速测量模块均采用光电编码器作为核心器件，所述的风向测量模块和风速测量模块分别连接到单片机上。

所述的显示模块包括位驱动芯片、段驱动芯片和至少8个LED显示器，所述的LED显示器通过位驱动芯片和段驱动芯片连接到单片机上，显示模块作为本装置的输出部分，主要作用是将从单片机传送出来的脉冲进行功率驱动，以便于在数码管上显示。它由集成电路段驱动芯片74LS47和位驱动芯片74LS138来担当，其中，74LS47起主要作用，74LS138用来辅助。74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字，通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。

如图2所示，所述的电源模块包括变压器T1、全波整流桥D1、极性电容C1、电容C2、电容C3、稳压芯片U1，所述的变压器T1的高压输入端连接220V市电，变压器T1低压输出端连接全波整流桥D1的两个输入端，全波整流桥D1的两个输出端分别连接极性电容C1的两端，且极性电容C1的负极接地，电容C2与极性电容C1并联，稳压芯片U1的第一引脚连接极性电容C1正极，稳压芯片U1的第二引脚通过电容C3接地，稳压芯片U1的第三引脚接地，稳压芯片U1的第二引脚为供电电压输出端。

为了给装置提供可靠的电流，变压器T1选用220V-12V-2A的变压器，整流采用二极管全桥整流方式，将负向电流整合成正向，为了整流安全，二极管中流过的最大电流应大于流过的平均电流，二极管的反向电压峰值应比二极管在电路中承受的最高反向电压大一倍左右，因此可以选用2C12D二极管。C1具有滤波功能，要求电容器较大，所以一般采用电解电容器，其具有极性，选择时还要考虑耐压。稳压电路主要靠稳压芯片U1，在本电路中选用7805芯片。

如图3所示，所述的风速测量模块包括增量式光电编码器、施密特触发器U2、电阻R1、电阻R2、三极管Q1、光耦U3、电阻R3，所述增量式光电编码器的两个输入端分别连接供电电压和地端，所述增量式光电编码器的输出端连接施密特触发器U2的第一引脚，所述施密特触发器U2的第二引脚连接电阻R1一端，电阻R1的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接光耦U3的第二引脚，光耦U3的第一引脚通过电阻R2接供电电压，光耦U3的第三引脚通过电阻R3接供电电压，光耦U3的第四引脚接地，光耦U3的第三引脚连接单片机的T1/P3.5引脚。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，由于增量式编码器的优点是结构简单，除可以直接测量角位移，还常用于测转轴速度，所以风速测量装置采用增量式编码器。

目前，在以光电编码器构成的测速系统中，常用的数字式转速测量方法主要有三种，分别是M法（频率法）、T法（周期法）、M/T法（频率／周期法）。M法是在既定的检测时间内，测量所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速，比较适合于高速场合；T法是测量相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速，适合速度比较低的场合；M/T法是同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速。对于本装置的风速测量模块，采用的方法为：低速时采用T法，高速时采用M法。

如图4所示，所述的风向测量模块包括绝对式光电编码器、施密特触发器U4、电阻R4、电阻R5、三极管Q2、光耦U4、电阻R6，所述绝对式光电编码器的两个输入端分别连接供电电压和地端，所述绝对式光电编码器的输出端连接施密特触发器U4的第一引脚，所述施密特触发器U4的第二引脚连接电阻R4一端，电阻R4的另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接光耦U5的第二引脚，光耦U5的第一引脚通过电阻R5接供电电压，光耦U5的第三引脚通过电阻R6接供电电压，光耦U5的第四引脚接地，光耦U5的第三引脚连接单片机的T2/P1.0引脚。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。本文选用绝对式光电编码器，其输出的信号可以是BCD码，可以直接被单片机接受，灵敏度也很高较之电阻式传感器使用更方便。而且绝对式编码器有一个零位参考点，风向要求单圈测量，范围在0-360°内，所以可以用零位参考点对每圈的测量结果进行复位，输出复位信号到单片机，即使断电或者其他原因引起测量滞后也没有影响，因为他的测量结果只与前后的位置有关。

施密特触发器是MOS触发器的一种，主要应用于波形变换，在风向和风速测量模块中，采用的型号为74HC14N。

光耦合器是一种通过输入端发光二极管发光，控制输出光电管导通，即利用光耦合方式传送数字信息的特殊器件，最大特点是能将输入和输出两部分隔离开来。在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声，接地回路噪声等问题，为了使干扰不能传入计算机，以便提高系统的可靠性，所以使用光电耦合器将输入信号与计算机隔开，单片机和计算机的情况一样，都要抗干扰，并且外围的设备可能以为某些原因发生短路等情况，为了不影响单片机的工作，保护单片机，也要将单片机与外围设备隔开，所以在风向和风速测量模块中，采用6N137光电耦合器经输入信号与单片机进行隔离。

如图5所示，所述的复位模块为RC复位电路，包括电阻R7、按键S1、电阻R8、电容C4，所述电阻R7的一端接供电电压，电阻R7的另一端连接按键S1一端，按键S1另一端分别连接电阻R8一端和单片机RST引脚，电阻R8的另一端接地，所述电容C4的一端接供电电压，C4的另一端接单片机RST引脚。

RC复位电路的实质是一阶充放电电路，按键S1按下时，该电路提供有效的复位信号RST（高电平），同时电容C4被短路放电；按键S1松开时，供电电压对电容C4充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然复位，充电完成后，电容C4相当于开路，RST为低电平，正常工作。

该装置的时钟模块包括两个电容和一个晶振，两个电容串联后，与晶振并联，由于本装置时钟模块中的两个电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用，因此，在实际应用中一定要注意正确选择参数，一般在5～30pF，在模拟试验中，获得的优选参数为：两个电容均为15pF，晶振为12MHz。

除本发明所述的结构外，其余均为现有技术。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光电式风速风向测量装置，其特征在于，包括单片机、显示模块、时钟模块、复位模块、电源模块、风向测量模块、风速测量模块，所述的单片机的型号为STC89CS52；所述的显示模块包括位驱动芯片、段驱动芯片和至少8个LED显示器，所述的LED显示器通过位驱动芯片和段驱动芯片连接到单片机上；所述的时钟模块和复位模块连接到单片机上；所述的电源模块的通过变压器的输入端连接220V市电，电源模块的输出端分别连接单片机、显示模块、复位模块、风向测量模块、风速测量模块，为整个装置提供电力供应；所述风向测量模块和风速测量模块均采用光电编码器作为核心器件，所述的风向测量模块和风速测量模块分别连接到单片机上。

2.根据权利要求1所述的一种光电式风速风向测量装置，其特征在于，所述的电源模块包括变压器T1、全波整流桥D1、极性电容C1、电容C2、电容C3、稳压芯片U1，所述的变压器T1的高压输入端连接220V市电，变压器T1低压输出端连接全波整流桥D1的两个输入端，全波整流桥D1的两个输出端分别连接极性电容C1的两端，且极性电容C1的负极接地，电容C2与极性电容C1并联，稳压芯片U1的第一引脚连接极性电容C1正极，稳压芯片U1的第二引脚通过电容C3接地，稳压芯片U1的第三引脚接地，稳压芯片U1的第二引脚为供电电压输出端。

3.根据权利要求2所述的一种光电式风速风向测量装置，其特征在于，所述的风速测量模块包括增量式光电编码器、施密特触发器U2、电阻R1、电阻R2、三极管Q1、光耦U3、电阻R3，所述增量式光电编码器的两个输入端分别连接供电电压和地端，所述增量式光电编码器的输出端连接施密特触发器U2的第一引脚，所述施密特触发器U2的第二引脚连接电阻R1一端，电阻R1的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接光耦U3的第二引脚，光耦U3的第一引脚通过电阻R2接供电电压，光耦U3的第三引脚通过电阻R3接供电电压，光耦U3的第四引脚接地。

4.根据权利要求2所述的一种光电式风速风向测量装置，其特征在于，所述的风向测量模块包括绝对式光电编码器、施密特触发器U4、电阻R4、电阻R5、三极管Q2、光耦U4、电阻R6，所述绝对式光电编码器的两个输入端分别连接供电电压和地端，所述绝对式光电编码器的输出端连接施密特触发器U4的第一引脚，所述施密特触发器U4的第二引脚连接电阻R4一端，电阻R4的另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接光耦U5的第二引脚，光耦U5的第一引脚通过电阻R5接供电电压，光耦U5的第三引脚通过电阻R6接供电电压，光耦U5的第四引脚接地。

5.根据权利要求2所述的一种光电式风速风向测量装置，其特征在于，所述的复位模块包括电阻R7、按键S1、电阻R8、电容C4，所述电阻R7的一端接供电电压，电阻R7的另一端连接按键S1一端，按键S1另一端分别连接电阻R8一端和单片机RST引脚，电阻R8的另一端接地，所述电容C4的一端接供电电压，C4的另一端接单片机RST引脚。