CN106018875A - 一种大气环境风速监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大气环境风速监控系统，包含数据采集终端以及与其连接的远程监控终端，所述数据采集终端包含铂电阻，以及设置在铂电阻上的电流检测模块、模数转换电路、三级放大电路、微控制器模块、数据传输模块、电源管理器和电源模块；本发明通过采用霍尔电流传感器实时检测铂电阻的电流以及计算出铂电阻周边环境温度和自身温度的温度差，进而精确的获取空气流速。

Description

一种大气环境风速监控系统
技术领域
本发明涉及一种空气流速检测装置，尤其涉及一种大气环境风速监控系统，属于风速检测控制领域。
背景技术
风速检测在环保气象、工业设备、采矿安全、卫生保健等诸多领域都具有十分重要的意义。随着我国风力发电事业的发展、检测技术的进步以及人们对环境要求的提高，人们对检测仪器的测量精度和功能的要求越来越高。风速传感器是用于测量空气流动速度的传感器。风速传感器可以用作空调系统的风量控制传感器和汽车之类的空气流量传感器。除此之外，它还作为流体力学与空气动力学领域内风洞实验不可缺少的传感器而引起人们的关注。
在环保气象、家用电器、工业设备、卫生保健等诸多领域，空气流速都是一项重要的检测参数，特别是在当今社会，各种风扇、空调等家用电器大量进入家庭、办公室和公共场所。基于以上原因，本发明设计了一种测量风速的风速测量电路，它具有成本低、使用方便、测量精度较高等特点，并且能够与单片机等其他集成芯片配合使用而成为其他系统的应用电路。
例如申请号为“201210492818.0”的一种风速测量传感器，包括中空设置的底座、设置在所述底座顶端的盖板和套装在所述底座上的风杯罩，所述底座内部设置有与所述风杯罩的几何中心位置固定连接的传动轴，所述底座内部安装有用于支撑所述传动轴的上轴承和下轴承，所述上轴承与下轴承之间设置有套装在所述传动轴上的定位套，所述传动轴的下部外壁上安装有磁铁块，所述底座的内壁上安装有磁性传感器，所述磁性传感器与所述磁铁块位于同一水平线上，所述风杯罩的两端对称设置有两个风杯。该发明结构简单，设计合理，加工制作方便，使用操作便捷，灵敏度高，实现成本低，使用寿命长，实用性强，使用效果好，便于推广使用，但是测量技术有待进一步提升。
又如申请号为“201310108380.6”的铂热栅式风速风向传感器，包括铂丝、隔热基底层、过渡层、覆膜层和金属片引线，其中隔热基底层与过渡层粘接连接，铂丝绕成四个独立的栅丝结构a、b、c、d并粘接在过渡层上，四个独立的栅丝结构中的两个栅丝结构a、b水平排列，另外两个栅丝结构c、d竖直排列，且栅丝结构a、b的连线与栅丝结构c、d的连线互相垂直，铂丝引线与金属片引线焊接连接，覆膜层粘接在过渡层上，该发明传感器用于风速风向的测量，具有体积小、质量轻、精度高、长寿命、结构简单可靠的特点。但是测量精度有待进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种成本低、使用方便、测量精度较高的基于铂电阻的大气环境风速监控系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种大气环境风速监控系统，包含数据采集终端以及与其连接的远程监控终端，所述数据采集终端包含铂电阻，以及设置在铂电阻上的电流检测模块、模数转换电路、三级放大电路、微控制器模块、数据传输模块、电源管理器和电源模块；所述电流检测模块依次通过模数转换电路、三级放大电路连接微控制器模块，所述微控制器模块连接数据传输模块，所述电源模块通过电源管理器连接微控制器模块；其中，所述铂电阻用于实时检测铂电阻周边环境温度及铂电阻自身温度；所述电流检测模块用于实时检测铂电阻上流通的电流；所述微控制器模块根据检测的铂电阻的自身温度、铂电阻上流通的电流以及铂电阻周边环境温度计算出风速；所述数据传输模块用于将计算出的风速传输至远程监控终端；
所述三级放大电路包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第一二极管、第一三极管、第二三极管、第三三极管；所述第一电阻为变阻器，所述第一电阻的滑动端连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端分别连接第二电阻的一端、第三电容的一端、第三电阻的一端、第一三极管的基极，所述第三电阻的另一端接地，所述第一三极管的发射极分别连接第五电阻的一端、第四电容的一端，所述第五电阻的另一端、第四电容的另一端均接地；所述第一三极管的集电极分别连接第三电容的另一端、第四电阻的一端、第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地；所述第二三极管的集电极分别连接第二电阻的另一端、第二电容的一端、第六电容的一端、第三三极管的发射极；所述第二电容的另一端分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端分别连接第三三极管的集电极、第七电容的一端，所述第七电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端分别连接第一二极管的阳极、第三三极管的基极；所述第一二极管的阴极连接第四电阻的另一端；
所述电源管理器包含采样滤波电路、磁偏检测电路、DSP模块、CPLD模块、隔离驱动电路、功率放大电路、控制器、接口模块和远程通讯模块；所述采样滤波电路、磁偏检测电路、功率放大电路和接口模块分别连接在DSP模块的相应端口上，所述DSP模块通过CPLD模块连接隔离驱动电路，所述DSP模块通过控制器连接远程通讯模块。
作为本发明一种大气环境风速监控系统的进一步优选方案，所述数据传输模块包含单片机以及与其连接的射频发射器。
作为本发明一种大气环境风速监控系统的进一步优选方案，所述远程监控终端包含控制器模块以及分别与其连接的数据接收模块、显示模块和数据存储模块。
作为本发明一种大气环境风速监控系统的进一步优选方案，所述铂电阻的芯片型号为Ptl00。
作为本发明一种大气环境风速监控系统的进一步优选方案，所述电流检测模块采用霍尔电流传感器。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明通过采用霍尔电流传感器实时检测铂电阻的电流以及计算出铂电阻周边环境温度和自身温度的温度差，进而精确的获取空气流速即风速；
2、本发明能够精确检测大气风速进而达到更好的安全预警。
附图说明
图1是本发明的系统结构原理图；
图2是本发明数据采集终端的结构原理图；
图3是本发明数据采集终端三级放大电路的电路图；
图4是本发明数据采集终端的电路图的的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种大气环境风速监控系统，包含数据采集终端以及与其连接的远程监控终端。所述数据采集终端实时采集大气环境的风速参数，进而将采集的风速参数传输至远程监控终端。
如图2所示，所述数据采集终端包含铂电阻，以及设置在铂电阻上的电流检测模块、模数转换电路、三级放大电路、微控制器模块、数据传输模块、电源管理器和电源模块；所述电流检测模块依次通过模数转换电路、三级放大电路连接微控制器模块，所述微控制器模块连接数据传输模块，所述电源模块通过电源管理器连接微控制器模块；其中，所述铂电阻用于实时检测铂电阻周边环境温度及铂电阻自身温度；所述电流检测模块用于实时检测铂电阻上流通的电流；所述微控制器模块根据检测的铂电阻的自身温度、铂电阻上流通的电流以及铂电阻周边环境温度计算出风速，具体计算如下：其中，V为空气流速，IH为电阻上流通的电流，RH为铂电阻的阻值，TH为铂电阻自身温度，TJ为铂电阻周边环境温度，C为对流换热系数，A为铂电阻的对流面积；所述数据传输模块用于将计算出的风速传输至远程监控终端；
其中，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述显示模块为LCD显示屏，所述铂电阻的型号为Ptl00，所述电流检测模块采用霍尔电流传感器，所述数据传输模块包含单片机以及与与其连接的射频发射器。
如图3所示，所述三级放大电路包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第一二极管、第一三极管、第二三极管、第三三极管；所述第一电阻为变阻器，所述第一电阻的滑动端连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端分别连接第二电阻的一端、第三电容的一端、第三电阻的一端、第一三极管的基极，所述第三电阻的另一端接地，所述第一三极管的发射极分别连接第五电阻的一端、第四电容的一端，所述第五电阻的另一端、第四电容的另一端均接地；所述第一三极管的集电极分别连接第三电容的另一端、第四电阻的一端、第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地；所述第二三极管的集电极分别连接第二电阻的另一端、第二电容的一端、第六电容的一端、第三三极管的发射极；所述第二电容的另一端分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端分别连接第三三极管的集电极、第七电容的一端，所述第七电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端分别连接第一二极管的阳极、第三三极管的基极；所述第一二极管的阴极连接第四电阻的另一端；
如图4所示，所述电源管理器包含采样滤波电路、磁偏检测电路、DSP模块、CPLD模块、隔离驱动电路、功率放大电路、控制器、接口模块和远程通讯模块；所述采样滤波电路、磁偏检测电路、功率放大电路和接口模块分别连接在DSP模块的相应端口上，所述DSP模块通过CPLD模块连接隔离驱动电路，所述DSP模块通过控制器连接远程通讯模块。
所述远程监控终端包含控制器模块以及分别与其连接的数据接收模块、显示模块和数据存储模块；所述数据接收模块用于接收数据采集终端通过数据传输模块传输的微控制器模块计算出的风速参数，所述显示模块用于实时显示微控制器模块计算出的风速。
风速检测在环保气象、工业设备、采矿安全、卫生保健等诸多领域都具有十分重要的意义。随着我国风力发电事业的发展、检测技术的进步以及人们对环境要求的提高，人们对检测仪器的测量精度和功能的要求越来越高。风速传感器是用于测量空气流动速度的传感器。风速传感器可以用作空调系统的风量控制传感器和汽车之类的空气流量传感器。除此之外，它还作为流体力学与空气动力学领域内风洞实验不可缺少的传感器而引起人们的关注。
在环保气象、家用电器、工业设备、卫生保健等诸多领域，空气流速都是一项重要的检测参数，特别是在当今社会，各种风扇、空调等家用电器大量进入家庭、办公室和公共场所。基于以上原因，本发明设计了一种测量风速的风速测量电路，它具有成本低、使用方便、测量精度较高等特点，并且能够与单片机等其他集成芯片配合使用而成为其他系统的应用电路。
当一个被加热的物体置于流体中，该物体的热量损失主要是热辐射和热对流。在温度较低，辐射散热可以忽略不计的情况下，物体的热量传递主要是热对流。当流体的速度增加时，物体的热量损失亦增加。如果以电的方式给铂热电阻加热，那么铂热电阻将达到一个由流体流速所确定的平衡温度。
我们采用铂热电阻作为加热对象。由于温度的变化引起铂热电阻本身阻值的变化，从而可以通过桥式电路建立流体速度和桥式电路输出电压的数学模型。利用此原理来进行风速的测量。
AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8V即可工作；AVR单片机保密性能好。
本发明微控制器模块，用于根据检测的铂电阻的自身温度、铂电阻上流通的电流以及铂电阻周边环境温度计算出空气流速，具体计算如下：
由公式可以看出，当铂电阻周边环境温度和自身温度不存在温度差时，可以轻松的得出当热阻温度和环境温度一定时，电流和风速的1/4次方成正比。
综上所述，本发明通过采用霍尔电流传感器实时检测铂电阻的电流以及计算出铂电阻周边环境温度和自身温度的温度差，进而精确的获取空气流速即风速；本发明能够精确检测大气风速进而达到更好的安全预警。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种大气环境风速监控系统，其特征在于：包含数据采集终端以及与其连接的远程监控终端，所述数据采集终端包含铂电阻，以及设置在铂电阻上的电流检测模块、模数转换电路、三级放大电路、微控制器模块、数据传输模块、电源管理器和电源模块；所述电流检测模块依次通过模数转换电路、三级放大电路连接微控制器模块，所述微控制器模块连接数据传输模块，所述电源模块通过电源管理器连接微控制器模块；其中，所述铂电阻用于实时检测铂电阻周边环境温度及铂电阻自身温度；所述电流检测模块用于实时检测铂电阻上流通的电流；所述微控制器模块根据检测的铂电阻的自身温度、铂电阻上流通的电流以及铂电阻周边环境温度计算出风速；所述数据传输模块用于将计算出的风速传输至远程监控终端；
所述三级放大电路包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第一二极管、第一三极管、第二三极管、第三三极管；所述第一电阻为变阻器，所述第一电阻的滑动端连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端分别连接第二电阻的一端、第三电容的一端、第三电阻的一端、第一三极管的基极，所述第三电阻的另一端接地，所述第一三极管的发射极分别连接第五电阻的一端、第四电容的一端，所述第五电阻的另一端、第四电容的另一端均接地；所述第一三极管的集电极分别连接第三电容的另一端、第四电阻的一端、第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地；所述第二三极管的集电极分别连接第二电阻的另一端、第二电容的一端、第六电容的一端、第三三极管的发射极；所述第二电容的另一端分别连接第六电阻的一端、第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端分别连接第三三极管的集电极、第七电容的一端，所述第七电容的另一端接地；所述第六电阻的另一端分别连接第一二极管的阳极、第三三极管的基极；所述第一二极管的阴极连接第四电阻的另一端；
所述电源管理器包含采样滤波电路、磁偏检测电路、DSP模块、CPLD模块、隔离驱动电路、功率放大电路、控制器、接口模块和远程通讯模块；所述采样滤波电路、磁偏检测电路、功率放大电路和接口模块分别连接在DSP模块的相应端口上，所述DSP模块通过CPLD模块连接隔离驱动电路，所述DSP模块通过控制器连接远程通讯模块。
2.根据权利要求1所述的一种大气环境风速监控系统，其特征在于：所述数据传输模块包含单片机以及与其连接的射频发射器。
3.根据权利要求1所述的一种大气环境风速监控系统，其特征在于：所述远程监控终端包含控制器模块以及分别与其连接的数据接收模块、显示模块和数据存储模块。
4.根据权利要求1所述的一种大气环境风速监控系统，其特征在于：所述铂电阻的芯片型号为Ptl00。
5.根据权利要求1所述的一种大气环境风速监控系统，其特征在于：所述电流检测模块采用霍尔电流传感器。
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