CN201514417U

CN201514417U - 一种风速测量装置

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Publication number: CN201514417U
Application number: CN2009200661066U
Authority: CN
Inventors: 胡珂玮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-09-29

Abstract

一种应用于风速测量领域的装置，包括电源装置、风速感应装置、单片机、终端显示装置，风速感应装置包括霍尔传感器，该装置还包括调频发射机和调频接收机，电源分别与风速感应装置和调频发射机相连，风速感应装置与调频发射机，将风速感应信号传输至调频发射机进行调频发射，调频接收机与单片机相连，单片机处理调频接收机接收到的调频信号，单片机与终端显示装置相连，终端显示装置显示经过处理的风速数值。本实用新型的测量装置结构操作简单，性能优越，精度高，抗干扰能力强，适合在偏远以及极端环境中长期使用。该装置还可以用于诸如船舶、机场、港口、建筑塔吊作业、水文和农业以及环保监测等领域的流体速度测量。

Description

一种风速测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种应用于速度测量领域的装置，尤其是一种应用于风速测量的装置，该装置可以广泛应用于自然风的测量，特别是偏远地区风速测量领域。除此之外，该装置还可以用于诸如船舶、机场、港口、建筑塔吊作业、水文和农业以及环保监测等领域的水流、热气流、烟囱的尘土等多种流体速度测量。

背景技术

目前风速的测量主要可以分为传统的测量装置和数字测量装置。

传统的测量装置有：热线风速仪，皮托管等。这些测量装置各自都存在优、缺点，如：热线风速仪可测微风量，脉动速度等，但是热线的机械强度低，承受的电流较小，不适于在液体或带有颗粒的气流中工作。皮托管风速表用测压管来测量风压并利用风向标对准风的来向，这是一种相对简单的仪器，但它具有风压与风速之间的非线性关系的缺点，就很不利于求取平均值。传统的气体流速测量方法的共同之处就是手动操作，人工读数，所以不可避免的存在操作上的误差，读数容易受到人为因素的影响的缺点。更主要的是传统的测量方法不易实现气体流速检测的数字化以及自动控制，目前国内技术生产的气象站风杯测速仪采用的传感器是光电二极管，由于传感器的原因有时接收不到信号而产生误差。

随着传感器技术，自动化技术的发展，国外的气体流速测量方法发生了巨大的变化。与传统的测量法相比，国外气体流速测量方法呈现出如下主要特点：

一、测量方法多种多样。国外气体流速测量仪器的测量原理有光学，力学，电子，气体密度，等多种类型。通过测量光线、声波、射线特性等与气体流速相关的物理量，实现气体流速的间接测量。

二、功能齐全，自动化水平非常高价格也非常昂贵。国外的气体流速产品都附带其它功能，测量精度更高一些的产品如德国的公司的某型号台式测风仪还内置恒温器自动清洗装置等。在线测风仪如英国某公司的7845、7846型气体流速仪具有数据通信功能，可将气体流速值实时的传送给主控设备，从而实现生产过程自动化，但仪器价格也非常昂贵

而且现在的风速测量装置大多是采用有线传输的方式实现数据的采集，现在比较流行的小型自动气象站开始采用了无线传输，但是需要GPRS移动通信网络的支持，不仅需要支付给移动公司一定的费用而且还必须要有移动网络的覆盖，这在偏远地区是难以做到的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有风速测量装置的不足，提供一种新的风速测量装置，以达到风速测量的高度自动化和精确测量的目的。

按照本实用新型，上述技术问题是通过下述技术方案来实现的：

一种风速测量装置，包括电源装置、风速感应装置、单片机、终端显示装置，其特征在于：风速感应装置包括霍尔传感器，该装置还包括调频发射机和调频接收机，电源装置分别与风速感应装置和调频发射机相连，风速感应装置与调频发射机相连，将风速感应信号传输至调频发射机进行调频发射，调频接收机与单片机相连，单片机处理调频接收机接收到的调频信号，单片机与终端显示装置相连，终端显示装置显示经过处理的风速数值。

作为该装置进一步的实施方式，风速感应装置的霍尔传感器包括霍尔开关和磁钢，其中磁钢至少为2个，呈等间距角安装在风杯的转轴上，霍尔开关与磁钢相对的安装在轴承支架上。这样能够使测量的风速精确度大大提高。

作为该装置进一步的实施方式，终端显示装置为计算机显示终端。

作为该装置进一步的实施方式，电源包括微型风力发电机、太阳能电池板和蓄电池，风力发电机和太阳能电池板均与蓄电池相连，进行风光互补发电。

作为该装置进一步的实施方式，单片机包括初始化模块，脉冲累计模块，频率测量模块、速度计算模块、速度显示模块、数据转BCD码模块，E2PROM数据读出模块，终端服务模块，E2PROM数据存储模块，初始化模块对程序进行初始化；脉冲累计模块将采样到的脉冲进行累加；频率测量模块负责将由单片机I/O口输入的脉冲信号进行采集；速度计算模块负责将频率测量模块采集的脉冲数结合包括风杯的半径、经历的时间、磁钢的数量、霍尔传感器的数量参数实时计算出风速；速度显示模块负责将计算出来的风速通过传输至计算机进行显示；速度计算模块从E2PROM数据读出模块中把预存的程序和数据读取到自己的模块中运行；终端服务模块为频率测量模块的稳定运行以及各项需求提供保障；E2PROM数据存储模块存储由速度计算模块所得的数据；数据转BCD码模块将显示数据转换成BCD码段，经串口传送至终端显示装置以显示所测的速度。

作为该装置进一步的实施方式，调频接收机与信号整形电路相连，信号整形电路再与隔离电路相连，信号整形电路使用高低频扼流圈进行整形，隔离电路通过光电耦合器进行信号隔离，使得调频接收机接收的信号在通过I/O口输入单片机前进行整形隔离处理，滤去杂糅信号，保留脉冲信号。

通过实施本实用新型所描述的风速测量装置及其风速测量方法，解决了目前气象台的三杯测速仪光电传感器故障频发和有时接收不到信号而产生误差的弊病，风速测量更加精确，使用范围更加广阔。另外，由于信号采集及发射端采用的是风力和太阳能供电，所以可以在偏远及恶劣条件地区长期采集风速信息，自动发回接收端进行处理，从而大大的扩展了使用的范围。本实用新型的测量装置结构简单，性能优越，精度高，抗干扰能力强，适合在偏远以及极端环境中长期使用。

附图说明

图1为本实用新型总体组成结构示意图；

图2为本实用新型风速感应装置结构示意图；

图3为本实用新型调频发射机电路原理图；

图4为本实用新型调频接收机电路原理图；

图5为本实用新型单片机电路部分示意图；

图6为本实用新型程序流程图；

图7为本实用新型单片机部分系统组成框图；

其中：1-太阳能电池板，2-微型风力发电机，3-蓄电池，4-调频发射机，5-风速感应装置，6-调频接收机，7-单片机，8-终端显示装置，9-电源装置，51-转轴，52-轴承支架，53-手柄，54-磁钢，55-霍尔开关，56-风杯，71-初始化模块，72-脉冲累计模块，73-频率测量模块，74-速度计算模块，75-速度显示模块，76-数据转BCD码模块，77-E2PROM数据读出模块，78-终端服务模块，79-E2PROM数据存储模块。

具体实施方式：

附图给出了本实用新型的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。作为该风速测量装置的一种较佳实施方式，如图1所示的一种风速测量装置，包括风速感应装置5、单片机7、终端显示装置8、电源装置9，其特征在于：风速感应装置5包括霍尔传感器，该装置还包括调频发射机4和调频接收机6，电源装置9分别与风速感应装置5和调频发射机4相连，风速感应装置5与调频发射机4相连，将风速感应信号传输至调频发射机进行调频发射，调频接收机与单片机7相连，单片机处理调频接收机6接收到的调频信号，单片机7与终端显示装置8相连，终端显示装置显示经过单片机处理的风速数值。

另一种实施方式在前种实施方式的基础之上，风速感应装置的霍尔传感器包括霍尔开关和磁钢，其中磁钢至少为2个，呈等间距角安装在风杯的转轴上，霍尔开关与其相对的安装在轴承支架上。风速感应装置包括风杯56、霍尔开关55、磁钢54、转轴51、轴承支架52等，如图2所示的风速感应装置是将20mm*50mm*2mm的铁片弯成U型，并在两头打上孔，将直径为5mm的转轴套上两个滚珠轴承。并将滚珠轴承外轮固定在铁片的预留孔上。将三个风杯依次焊接到转轴上并使其之间互为120°角。在转轴的一端固定一个直径为50mm，厚度为10mm的圆盘，使其距离滚珠轴承处20mm并且和转轴一起转动，将多个永磁体粘贴在圆盘的侧面上并使其分布均匀。粘贴时要注意永磁体的极性，要求N极朝外。在离转轴28mm的U型铁片上安装一个“L型”支架，在距离固定点20mm处打孔，孔径与霍尔传感器感应头直径相同。

终端显示装置8为计算机显示终端，这样可以非常方便直观的显示风速数据，同时方便风速数据的各种处理，满足了多样化的需求。当然终端显示装置也可以是普通的液晶显示屏。电源装置9分为两部分，一部分直接接入市电，通过适配器为信号接收系统、数字处理系统供电和终端显示系统供电。另外一部分采用的是风光互补供电方案，即由微型风力发电机2和太阳能电池板1供电，风光互补形式的电源部分具体包括风力发电机、太阳能电池板和蓄电池，风力发电机和太阳能电池板均与蓄电池相连，由铅蓄电池3储存为信号获取系统和信号发射系统提供12V的直流电。

如图3所示的调频发射机电路原理图，高频三极管V1和电容C22、C24、C25组成一个电容三点式的振荡器。C23、L组成一个谐振器：谐振频率就是调频电路的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88～108MHZ之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L的数值(拉伸或者压缩线圈L)可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过C23耦合到天线上再发射出去。R8是V1的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使V1工作在放大区。R9是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。霍尔元件产生脉冲信号。霍尔元件采集到的脉冲信号通过C21耦合和R6匹配后送到三极管的基极。电路中D3和D4两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有0.7V，如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流，这样可以确保脉冲信号的幅度可以限制在正负0.7V之间。CK是外部信号输出插座，外部信号通过R5衰减和D3、D4限幅后送到三极管基极进行频率调制。电路中发光二极管D5用来指示工作状态，当调频话筒得电工作时就会点亮，R6是发光二极管的限流电阻。C27、C28是电源滤波电容，因为大电容一般采用卷绕工艺制作的，所以等效电感比较大，并联一个小电容C27可以使电源的高频内阻。通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。

如图4所示的调频接收机电路原理图，其核心器件是一块TDA7088集成电路，这块集成电路中包含了调频收音机中从天线接收、振荡器、混频器、AFC(频率自动控制)电路、中频放大器(中频频率为70kHz)、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、音频输出等全部功能，还专门设有搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路。TDA7088集成电路的1脚接的电容器C1为静噪电容；3脚外接环路滤波元件；6脚上的C4为中频反馈电容；7脚上的C5为低通电容器；8脚为中频输出端；9脚为中频输入端；10脚上的C7为中频限幅放大器的低通电容；15脚为搜索调谐输入端，C12为滤波电容器；16脚为电调谐、AFC输出端。FM信号送入集成电路的第11脚和12脚，电感L2、电容器C8、C9、C10构成输入回路。电路的频率由L1、C3及变容二极管VD1决定。混频后产生的70kHz中频信号经集成电路内的中频放大器、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器后变为音频信号，由集成电路的第2脚输出，送到音量电位器上，再由电容器C15送到由三极管VT1、VT2等组成的低频放大电路中进行放大，输送到单片机中。连接单片机接口的电感器L3、L4是为了防止天线的信号被耳机旁路而设置的。发光二极管和电阻器R6组成电源显示电路。电容器C18和C19为电源滤波电路。电容器C17是用来改善音质的。

如图7所示，单片机7包括初始化模块71，脉冲累计模块72，频率测量模块73、速度计算模块74、速度显示模块75、数据转BCD码模块76，E2PROM数据读出模块77，终端服务模块78，E2PROM数据存储模块79，初始化模块71对程序进行初始化；脉冲累计模块72将采样到的脉冲进行累加；频率测量模块73负责将由单片机I/O口输入的脉冲信号进行采集；速度计算模块74负责将频率测量模块采集的脉冲数结合包括风杯的半径、经历的时间、磁钢的数量、霍尔传感器的数量参数实时计算出风速；速度显示模块75负责将计算出来的风速通过传输至计算机进行显示；速度计算模块74从E2PROM数据读出模块77中把预存的程序和数据读取到自己的模块中运行；终端服务模块78为频率测量模块73的稳定运行以及各项需求提供保障；E2PROM数据存储模块79存储由速度计算模块所得的数据；数据转BCD码模块76将显示数据转换成BCD码段，经串口传送至终端显示装置8以显示所测的速度。

如图5所示，调频接收机6与信号整形电路10相连，信号整形电路再与隔离电路11相连，信号在通过单片机I/O口输入单片机前进行的整形隔离处理，为的就是减少外界干扰，增强信号的稳定性，整形采用的是高低频扼流圈，滤去各种杂糅信号，只保留脉冲信号，而隔离采用的是PS2801光隔方案。

如图6本实用新型的程序流程图所示，单片机上电复位后，进行初始化，程序设定每250毫秒采样一次，每次都将本250毫秒内接收到的脉冲信号数累加起来，当采样次数达到12次之后(即时间达到3秒钟后)，将总共累加起来的脉冲数进行处理，与风杯的半径相结合，计算出风速，上传到计算机中，当第13次采样之后，抛弃第一次的采样，将第2次至第13次的12个采样累加起来，作为计算风速的基础数据。以后每采一次样都抛弃最后一个采样，使用来累加脉冲数的采样一直为最新的12个采样，也就是说上传到计算机的风速数据是每250毫秒更新一次的，保证了风速的瞬时性和可靠性。当总采样数达到2400次时(即时间达到10分钟)，单片机将所有的采样累加起来，计算出10分钟的平均风速，然后清空RAM，重新开始采样。即10分钟平均风速是每10分钟更新一次。完全符合世界气象组织(WMO)仪器和观测方法委员会(CIMO)的CIMO-X建议3(WMO，1991)的标准要求。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims

1.一种风速测量装置，包括风速感应装置(5)、单片机(7)、终端显示装置(8)、电源装置(9)，其特征在于：风速感应装置(5)包括霍尔传感器，该装置还包括调频发射机(4)和调频接收机(6)，电源装置(9)分别与风速感应装置(5)和调频发射机(4)相连，风速感应装置(5)与调频发射机(4)相连，将风速感应信号传输至调频发射机进行调频发射，调频接收机与单片机(7)相连，单片机处理调频接收机(6)接收到的调频信号，单片机(7)与终端显示装置(8)相连，终端显示装置显示经过单片机处理的风速数值。

2.根据权利要求1所述的一种风速测量装置，其特征在于：所述风速感应装置(5)的霍尔传感器包括霍尔开关(55)和磁钢(54)，其中磁钢至少为2个，呈等间距角安装在风杯(56)的转轴(51)上，霍尔开关与磁钢(54)相对的安装在轴承支架(52)上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种风速测量装置，其特征在于：所述终端显示装置(8)为计算机显示终端。

4.根据权利要求3所述的一种风速测量装置，其特征在于：所述电源装置(9)包括微型风力发电机(2)、太阳能电池板(1)和蓄电池(3)，微型风力发电机和太阳能电池板均与蓄电池相连，进行风光互补发电。

5.根据权利要求4所述的一种风速测量装置，其特征在于：单片机(7)包括初始化模块(71)，脉冲累计模块(72)，频率测量模块(73)、速度计算模块(74)、速度显示模块(75)、数据转BCD码模块(76)，E2PROM数据读出模块(77)，终端服务模块(78)，E2PROM数据存储模块(79)，初始化模块(71)对程序进行初始化；脉冲累计模块(72)将采样到的脉冲进行累加；频率测量模块(73)负责将由单片机(7)I/O口输入的脉冲信号进行采集；速度计算模块(74)负责将频率测量模块采集的脉冲数结合包括风杯的半径、经历的时间、磁钢的数量、霍尔传感器的数量参数实时计算出风速；速度显示模块(75)负责将计算出来的风速通过传输至计算机进行显示；速度计算模块(74)从E2PROM数据读出模块(77)中把预存的程序和数据读取到自己的模块中运行；终端服务模块(78)为频率测量模块(73)的稳定运行以及各项需求提供保障；E2PROM数据存储模块(79)存储由速度计算模块所得的数据；数据转BCD码模块(76)将显示数据转换成BCD码段，经串口传送至终端显示装置(8)以显示所测的速度。

6.根据权利要求5所述的一种风速测量装置，其特征在于：调频接收机(6)与信号整形电路(10)相连，信号整形电路再与隔离电路(11)相连，信号整形电路使用高低频扼流圈进行整形，隔离电路通过光电耦合器进行信号隔离，使调频接收机(6)接收的信号在通过I/O口输入单片机(7)前进行整形隔离处理，滤去杂糅信号，保留脉冲信号。