CN104535790B - 一种风速风向检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风速风向检测装置，尤其是一种基于压电效应的风速风向检测装置，它包括感应系统、测量系统，所述感应系统包括橡胶材料制成的竖直杆、压电陶瓷片、旋转装置和接收风装置，所述压电陶瓷片为16块，在同一水平高度上对称均匀贴合于橡胶竖直杆顶端与底端之间的外壁上，所述旋转装置位于橡胶竖直杆顶端，所述接收风装置通过尼龙绳连接旋转装置，所述压电陶瓷片的两端与测量系统相连。本发明安装于建筑物顶部，让接受风装置随风摆动，带动竖直杆上的压电陶瓷片产生输出电压，再将输出电压输入到显示电路显示出来，可同时测出风向和风速，并具有较高的精度。

Description

一种风速风向检测装置

技术领域

本发明涉及风速及风向检测领域，具体说是一种基于压电效应的风速风向检测装置。

背景技术

天气预报中不可缺少的一项便是风力等级和风向，近些年来，出现了很多类型的风速或风向测量装置，如精度较高的热式风速仪，但需要测量者于户外测量；再如气象站用的旋转式风速计，具有精度较低，需测量者到风速计下读数，以及不能将风速、风向的测量集中到一起导致测量不便的缺点；还有根据多普勒效应以及超声波的穿透性好、定向性强申请了超声波测速的专利，如发明名：超声波三维测风方法和三维超声波风速、风向仪，专利公开号为CN102269679A；发明名称为：一种超声波风速仪，专利公开号：CN202075304U；发明名称：气压修正超声波风速风向仪构架，专利公开号：CN202133677U，上述专利均运用多普勒效应来测量风速，但是都要涉及复杂的计算和计算机编程。在1880年，Curie兄弟在研究热电现象和晶体对称性的关系时，于α石英晶体上发现了压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷的现象即为压电效应。即使现有技术中出现少量采用压电效应的风速检测装置，但是其往往不同时具有风向检测功能，且测量精度不高。

经检索，中国专利号：ZL 200920073011.7，实用新型名称：一种压电风速仪,其由气流通道、靶片、刚性连杆、压电传感器、IC芯片、LCD液晶显示模块以及关联导线组合而成，其靶片与刚性连杆以及压电传感器是依次直接相连的。中国专利申请号：201420081456.0，实用新型名称：压电型固定翼式风速测量仪，立柱底端固装在底座上，在立柱顶端外周壁上设置着外螺纹，限位螺母自身具有的内螺纹与外螺纹相配合连接，环绕立柱顶端的限位螺母通过相配合连接的内螺纹与外螺纹对应在立柱顶端柱体上以自旋方式沿立柱长度方向往复移动，滑动管、环形压电陶瓷垫和螺旋弹簧朝着由底座至限位螺母的方向依次套装在立柱位于底座与限位螺母之间的柱体上，滑动管、环形压电陶瓷垫和螺旋弹簧均环绕着立柱，滑动管以沿立柱长度方向往复滑动的方式与立柱动配合，在滑动管外管壁上固装着固定翼，环形压电陶瓷垫固接螺旋弹簧的一端，螺旋弹簧的另一端固接限位螺母。上述两个申请案中都运用了压电效应，但是其都只限于对风速的检测，不能同时具备风向检测功能，而且装置的精度不是特别高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于压电效应的风速风向检测装置，其可以实现对风速和风向的精确测量。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种风速风向检测装置，包括感应系统和测量系统，所述感应系统包括能随风摆动的竖直杆、压电陶瓷片、旋转装置和接收风装置，所述压电陶瓷片共设置有多块并均匀布设在竖直杆下半部分任一段高度的外壁，所述旋转装置设置在竖直杆的上半部分并能随风绕竖直杆作360°旋转，在所述旋转装置的圆周一侧连接有接收风装置，所述每一块压电陶瓷片的两端均与测量系统电连接。

优选的，所述竖直杆的全部或部分采用橡胶材料制作。

优选的，所述压电陶瓷片共设置了16块，所述16块压电陶瓷片布设在竖直杆的同一水平高度，并均匀对称贴合于竖直杆的外壁。

优选的，所述压电陶瓷片布设在竖直杆从底端向上的三分之一高处。

优选的，所述旋转装置设置在竖直杆的顶端，所述接收风装置通过尼龙绳与旋转装置连接。

进一步的，所述每块压电陶瓷片外侧均设置有一层防风化薄膜，所述每块压电陶瓷片之间填充有绝缘物。

进一步的，还包括固定装置，所述固定装置安装在竖直杆的底部。

进一步的，所述测量系统包括测量电路、整流电路、储能电路、保护电路和显示电路，所述测量电路包括16路输入，所述16路输入互相独立且功能相同，所述显示电路包括A/D转换电路、单片机以及显示屏，所述测量电路的每一路输入端均与相应的每块陶瓷片的两端相连，所述测量电路的每一路输出端均与A/D转换电路相连，所述整流电路的输入端连接于测量电路的输入接口，所述整流电路的输出端分别并联于保护电路的输入端，所述保护电路的输出端连接于储能电路，储能电路的输出端连接于A/D转换电路的输入端，所述A/D转换电路的输出端与单片机的一部分I/O端口相连，所述单片机的一部分I/O端口与显示屏相连。

进一步的，所述储能电路包括两个电容；其中一个电容的正极连接于所述整流电路的输出端，负极接地；另一个电容的正极连接于所述保护电路的输出端，负极接地。

进一步的，所述整流电路包括整流桥；所述保护电路包括两个肖特基二极管，所述A/D转换电路包括4块PCF8951P芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的基于压电效应的风向、风速检测装置安装于建筑物顶部，让其接受风装置随风摆动，带动竖直杆上的压电陶瓷片发生形变，产生电荷通过测量电路输出电压，再将输出电压输入到显示电路的A/D转换模块进而连接到单片机，其单片机优选51单片机，通过对51单片机的编程比较采集电压的大小，将会有个最大的正电压和负电压，该最大电压大小对应某一风速，并根据电压的正、负来确定风向，然后将风速、风向显示到显示屏中，具有较高的精度。其竖直杆采用橡胶材料制作，是为了便于使其能随风摆动；在竖直杆的顶端设置接收风装置是为了增大迎风面，以尽量多的收集风力，设置旋转装置是为了能使接收风装置能迎合风向，设置16块压电陶瓷片是为了将竖直杆的圆周进行尽量多的细分，以使风向的测量能更加准确，将压电陶瓷片布设在竖直杆从底端向上的三分之一高处，是因为竖直杆在此处的挠曲变形最大，将压电陶瓷片设于此处，其效果最明显。在每块压电陶瓷片的外侧均设置一层防风化薄膜，是为了保护压电陶瓷片免设雨水的侵袭，其还能进一步防止其风化，延长使用寿命，在所述每块压电陶瓷片之间填充有绝缘物，是为了使每块压电陶瓷片相互之间保持绝缘，以利于其与16路测量电路分别相连。

附图说明

图1是本发明的感应装置结构示意图；

图2是本发明的竖直杆、压电陶瓷片、绝缘物、防风化薄膜配合在一起时的剖视图；

图3是本发明的测量电路示意图；

图4为本发明的显示电路示意图。

示意图中的标号说明：

1、竖直杆；2、旋转装置；3、尼龙绳；4、接收风装置；5、压电陶瓷片；6、固定装置；7、绝缘物；8、防风化薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

结合图1、图2，本发明的一种基于压电效应的风速风向检测装置，包括圆柱形有弹性的竖直杆1，所述竖直杆1整体采用橡胶材料制作，以及贴于竖直杆三分之一高处的一圈16块压电陶瓷片5、压电陶瓷片5在同一水平高度上对称均匀贴合于竖直杆1顶端与底端之间的外壁上，其上附一层防风化薄膜8，防风化薄膜8将压电陶瓷片5完全封闭在内，压电陶瓷片5之间有绝缘物7填充，另外，其还包含置于竖直杆1顶端且连接有尼龙绳3的可绕橡胶竖直杆1作360°圆周旋转的旋转装置2，尼龙绳3的另一端设置有接收风装置4，压电陶瓷片5两端产生的电压连入测量系统；本发明还包括固定装置6，其安装于橡胶竖直杆1的底部。

如图3、图4所示的测量电路，测量电路包括16路输入，16路输入互相独立，功能相同，测量电路的每一路输入端均与对应的每一块陶瓷片两端相连，测量电路的每一路输出端均与51单片机相连，所述51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，其核心为51芯片，型号如STC89S51或STC89C51，本实施方式采用STC89S51为51单片机常用芯片。当然，还可以采用其他型号的单片机代替51单片机，如型号为MSP430的单片机，但相对于其他单片机，对51单片机进行内部编程更加方便。

整流电路的输入端连接于测量电路的输入接口，整流电路的输出端分别并联于保护电路的输入端，保护电路的输出端连接于储能电路，储能电路的输出端连接于A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端与51单片机的一部分I/O端口相连，储能电路包括两个电容(如电容C1_1、C2_1)；其中一个电容(如电容C1_1)的正极连接于所述整流电路的输出端，负极接地；另一个电容(如电容C2_1)的正极连接于所述保护电路的输出端，负极接地。

如图3所示，共有独立的16个电路共同组成测量电路，其中每个独立电路的电路结构均相同，即每个独立电路均包括：整流电路、储能电路和保护电路。现以第一个独立电路为例说明各分支电路的结构：所述整流电路，由整流桥D1_1构成；所述储能电路，由两个电容C1_1、C2_1构成；所述保护电路，由两个肖特基二极管D2_1、D3_1组成。

如图4所示，所述A/D转换电路包括4块PCF8951P转换集成芯片，其分辨率为8位，其作用均为采集电压。所述A/D转换电路为模拟信号和数字信号之间的转换，还可以采用ADC0809芯片代替PCF8951P芯片实现A/D转换功能。4个A/D转换芯片PCF8951P、STC89S51芯片、晶振、复位电路、LCD12864共同组成显示电路。晶振的作用是给芯片提供外部时钟信号，由于有16路电压需要采集，而每个A/D转换芯片PCF8951P只能采集到4路，故使用4块A/D转换芯片PCF8951P来实现。每块PCF8951P芯片功能相同，现以图4中的第一个A/D转换芯片PCF8951P为例说明功能。芯片中AIN0、AIN1、AIN2、AIN3的作用为电压输入端，每个端口所连线上均有标注，与测量电路中输出端连线上标注相同，即相同标注的连线是连到一起的。芯片中A0、A1、A2起到选择芯片的作用，也就是给芯片编号，图中U1为A0、A1、A2均接地，即A0＝A1＝A2＝0，代表0号芯片，U2为A0接VCC，A1、A2接地，即A1＝A2＝0，A0＝1，代表1号芯片，以此类推。而PCF8951P芯片实现功能为将采集到的16路电压转换成二进制数来表示其大小和正负。

STC89S51芯片和晶振、复位电路组成51单片机的最小系统，即要让51单片机工作，晶振和复位电路是必须的。晶振U6和两个电容C1、C2给STC89S51芯片提供外部时钟信号，也可将这部分视为51单片机的时钟电路。复位电路由开关S0、电阻R2和电容C5组成，复位电路的作用为当单片机工作异常时，将单片机内信号置回初始状态，重新运行程序。

所述LCD12864是一块液晶显示屏，通过与STC89S51芯片相连，以及编程就可以显示出想要的内容，比如本实施方式中所需要的风速和风向。其与STC89S51芯片连接方式也为与端口连线的标注相同的导线连到一起。当然，还可以采用LCD1602显示屏代替LCD12864显示屏，但与51单片机连接的液晶显示屏中可以显示汉字的一般为LCD12864。

如图4所示的显示电路中，U1的AIN0、AIN1、AIN2、AIN3端口输入电压，所述U1是A/D转换电路4块PCF8951P芯片之一。U1芯片的AOUT和OSC分别为D/A转换端口和外部时钟输入端口，A0、A1、A2端口为4块相同芯片的选择通道，其分别接VCC或接GND代表1或0，从而这三个通道构成3位二进制数，起到选择通道的作用，VCC接+5V电压和GND接地实现芯片的供电，VREF接+5V电压和AGND、TXT接地屏蔽D/A转换功能，SCL为时钟信号输出连接到51单片机的P2.0端口，SDA端将采集到的电压转换为二进制输入到51单片机的P2.1端口。显示系统中的51单片机连接最小系统，包括晶振和复位电路，51单片机的晶振分别连接于XTAL1和XTAL2端口，并且连接两个电容C1、C2再接地，51单片机的复位电路，复位开关S0的1端连接+5V电压，2端连接到RST端口，并在复位开关两端并联一个电容C5，复位开关的1端通过电阻R2接地，显示系统的LCD12864显示屏上I/O接口分别与51单片机的I/O端口连接，VCC和GND分别连接+5V电压和接地，左侧的VCC、NC和右侧的NC端之间连接滑动变阻器R3用于调节LCD屏显亮度。

使用时，将本发明安装于建筑物顶部，让接收风装置4随风摆动，带动竖直杆上的16个压电陶瓷片5发生形变，产生电荷通过测量电路输出电压，再将输出电压输入到显示电路的A/D转换模块进而连接到51单片机，通过对51单片机的编程比较采集电压的大小，将会有个最大的正电压和负电压，该最大电压大小对应某一风速，并根据电压的正、负来确定风向，然后将风速、风向显示到LCD12864显示屏中。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种风速风向检测装置，其特征在于：包括感应系统和测量系统，所述感应系统包括能随风摆动的竖直杆、压电陶瓷片、旋转装置和接收风装置，所述压电陶瓷片共设置有多块并均匀布设在竖直杆下半部分任一段高度的外壁，所述旋转装置设置在竖直杆的上半部分并能随风绕竖直杆旋转，在所述旋转装置的圆周一侧连接有接收风装置，所述每一块压电陶瓷片的两端均与测量系统电连接，所述压电陶瓷片共设置了16块，所述16块压电陶瓷片布设在竖直杆的同一水平高度，并均匀对称贴合于竖直杆外壁，所述压电陶瓷片布设在竖直杆从底端向上的三分之一高处，所述旋转装置设置在竖直杆的顶端，所述接收风装置通过尼龙绳与旋转装置连接；所述测量系统包括测量电路、整流电路、储能电路、保护电路和显示电路，所述测量电路包括16路输入，所述16路输入互相独立且功能相同，所述显示电路包括A/D转换电路、单片机以及显示屏，所述测量电路的每一路输入端均与相应的每块陶瓷片的两端相连，所述测量电路的每一路输出端均与A/D转换电路相连，所述整流电路的输入端连接于测量电路的输入接口，所述整流电路的输出端分别并联于保护电路的输入端，所述保护电路的输出端连接于储能电路，储能电路的输出端连接于A/D转换电路的输入端，所述A/D转换电路的输出端与单片机的一部分I/O端口相连，所述单片机的的一部分I/O端口与显示屏相连；所述储能电路包括两个电容；其中一个电容的正极连接于所述整流电路的输出端，负极接地；另一个电容的正极连接于所述保护电路的输出端，负极接地；所述整流电路包括整流桥；所述保护电路包括两个肖特基二极管，所述A/D转换电路包括4块PCF8951P芯片。

2.根据权利要求1所述的风速风向检测装置，其特征在于：所述每块压电陶瓷片外侧均设置有一层防风化薄膜，所述每块压电陶瓷片之间填充有绝缘物。

3.根据权利要求1所述的风速风向检测装置，其特征在于：还包括固定装置，所述固定装置安装在竖直杆的底部。