CN104237553A - 嵌入式风速风向测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对野外便携式设备，提出了一种嵌入式风速风向测量系统及测量方法，通过高灵敏度磁性叶轮和电子罗盘，可以方便实现野外便携式设备上的风速风向测量。高灵敏度磁性叶轮和风速风向测量电路安装于一个壳体内，微处理器通过磁感应电路测量风速，根据测量过程中最大风速对应的电子罗盘方位角测量风向。本发明具有设计简洁、生产方便、一致性好等特点。

Description

嵌入式风速风向测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种气象用嵌入式风速风向测量系统及测量方法。

背景技术

目前风速风向的测量多采用大型机械式结构，虽然精度相对较高，但是由于安装使用复杂，无法在野外便携式设备上使用。

发明内容

本发明针对野外便携式设备，提出了一种嵌入式风速风向测量系统及测量方法，通过高灵敏度磁性叶轮和电子罗盘，可以方便实现野外便携式设备上的风速风向测量。

本发明包括叶轮装置、测量电路、微处理器，其特征在于所述叶轮装置为磁性叶轮。其中，测量电路包括绕线电感、电容和运算放大器，且绕线电感沿垂直于磁性叶轮的切线方向安装。，用于探测叶轮旋转速度。

优选的，叶轮装置包括高灵敏度轴承、轻质叶片和外框。

优选的，叶轮外框开槽，用于安装固定胶圈。

优选的，所述磁性叶轮经过磁化处理并具有稳定磁场。

优选的，轴承上设置有调节旋钮。

优选的，该风速风向测量系统，还包括电子罗盘。

优选的，所述电子罗盘、所述叶轮装置和测量电路安装于所述壳体内。

优选的，本发明装置测到的风速和风向信息通过通讯系统传输至终端设备，用于存储和显示，终端设备可以为移动或非移动的计算机、显示器等；在该通讯系统或显示系统的终端将测量结果展示给用户。

本发明采用的风速测量方案是针对高灵敏度叶轮进行特殊磁化处理，产生磁性效果。而用于检测的绕线电感对于叶轮转动引起的磁场变化产生微弱的电流变化，经过运算放大器进行信号放大后，转换成输出频率的变化，这样，叶轮的转速就和运算放大器的信号输出频率产生了对应关系，微处理器只需要测量运算放大器的信号输出频率即可计算叶轮转速，并通过叶轮转速和风速对照表来得到当前的风速。

本发明采用的风向测量方案是通过使用电子罗盘，结合最大风速测量来确定风向。电子罗盘用于记录便携式设备当前的朝向。当便携式设备迎风缓慢转动一圈后，微处理器实时记录设备转动过程中电子罗盘的朝向信息和对应的风速信息，通过确定最大风速，即可得到当前风向。与常规的风向标式风向测量方法相比，具有应用简单，快速的特点。

本发明专利具有设计简洁、生产方便、一致性好，使用简便的特点，便于实现便携式设备上的风速风向测量，结合便携式设备的显示、存储、通讯、定位功能，可以方便的实现野外的风速风向测量和上报功能。

附图说明

图1.本发明专利风速风向测量结构示意图，并作为摘要附图。

图中：1.高灵敏度磁性叶轮，2.灵敏度调节旋钮，3.绕线电感，4.电容，5.运算放大器，6.电子罗盘，7.微处理，8.壳体。

图2.本发明专利风速测量电路原理图。

图中：L.绕线电感，C.电容，U1.运算放大器。

图3.本发明专利风速风向测量系统框图。

具体实施方式

[010]  嵌入式风速风向测量系统由小型高灵敏度磁性叶轮装置、风速测量电路、风向测量电路组成，如图1所示。

[011]  图1中，1为小型高灵敏度磁性叶轮，由高灵敏度轴承、轻质叶片和外框组成；叶轮经过磁化处理，使其具有稳定磁场；轴承上装配调节旋钮2，用于调节叶轮灵敏度；叶轮外框开槽，用于安装固定胶圈，方便安装、拆卸。

[012]  高灵敏度磁性叶轮固定于测量电路板上方，绕线电感3正对叶轮切线方向，以便在叶轮转动时，可以获得最大的磁感应电动势，微型电子罗盘内置于测量电路中，微处理器负责风速风向信号的采集和转换。

[013]  图2为风速测量电路原理图。在测量风速时，图1中的绕线电感3对应于图2中的电感L，图1中的储能电容4对应于图2中的电容C，图1中的运算放大器5对应于图2中的运放U1。当图1中的高灵敏度磁性叶轮1受到风力转动时，和绕线电感3发生切割磁力线作用，产生微弱电流，该电流信号经过运算放大器5的放大后，转变成微处理器可以检测到的频率波形，最终由微处理器转化成叶轮转速。由于在一定的风速范围内，叶轮的转速与风速大小满足线性关系式(1)：

其中，W为当前风速，X为叶轮转速，a为转速因子，用于指示该线性关系斜率，b为转速偏移，用于指示该线性关系偏移。

因此，只需在出厂时对设备进行一次校准，获取转换参数a和b，即可方便地进行风速测量。

在测量风向时，只需将设备迎风缓慢转动一圈，在此过程中，微处理器每隔一秒读取一次电子罗盘的方位角和对应的风速信息，直到测量过程结束。根据这一过程中记录得到的最大风速，得到对应的方位角，再将方位角转换成朝向信息，即可得到当前的风向。如图3所示，电子罗盘通过I2C接口连接至微处理器，微处理器可以实时获取当前的方位角，根据测量过程中记录的最大风速及设备迎风面对应的方位角，即可得到当前的风向。

整个风速风向测量电路，由于结构简单小巧、计算方便、一致性好、便于生产，因此可广泛应用与嵌入式设备中。

Claims (10)

1.嵌入式风速风向测量系统，包括叶轮装置、测量电路、微处理器，其特征在于所述叶轮装置为磁性叶轮，所述磁性叶轮经过磁化处理并具有稳定磁场。

2.如权利要求1所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于所述测量电路包括绕线电感，所述绕线电感沿垂直于磁性叶轮的切线方向安装。

3.如权利要求1所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于所述测量电路为绕线电感、电容和运算放大器等器件的组合。

4.如权利要求1所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于所述叶轮装置包括高灵敏度轴承、轻质叶片和外框。

5.如权利要求4所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于叶轮外框开槽，用于安装固定胶圈，在所述轴承上设置有调节旋钮。

6.如权利要求1所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于还包括电子罗盘。

7.如权利要求6所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于所述电子罗盘、所述叶轮装置和测量电路安装于同一壳体内。

8.如权利要求7所述的嵌入式风速风向测量系统，其特征在于还包括通讯系统或显示系统。

9.如权利要求1所述的嵌入式风速风向测量系统的测量方法，其特征在于利用叶轮旋转速度与风速之间的对应关系来测得风速，具体的对应关系为叶轮的转速与风速大小满足线性关系式：

W=a·X+b

其中，W为当前风速，X为叶轮转速，a为转速因子，b为转速偏移。

10.如权利要求7所述的嵌入式风速风向测量系统的测量方法，其特征在于所述壳体迎风水平旋转时，确定风速最大时测量仪器面向的方向，并通过电子罗盘与该方向的对应关系获得当前风向。