CN2624218Y - 一种风速、光辐照度同步测试仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自动风速、光辐照度同步测试仪，风速传感器部分由风杯、主轴、小型同步测速发电机组成，测速发电机输出交流电压信号经半波精密整流放大后，送入微控制MSP430F149的A/D通道。同时，在控制箱的顶部，光频转换器件可将太阳光总的辐射能转换成频率，由微控制器捕获脉冲计算出辐照度。每0.1s采集一次风速和辐照度，数据通过串口自动送计算机存储，能够实现风速、光辐照度的同步测量。该仪器结构简单、测量范围光，成本低，便于携带。
Description
一、所属技术领域
本发明属于应用于气象自动测量的一种装置，涉及一种风速、光辐照度同步测试仪。
二、背景技术
在当前气象观测部门和市场上，有多种风速测量装置。比如常用的机械风杯式风速测量仪、感应式风速计等，他们的记录方式多为模拟读数。此外还有光电编码式风速计，激光多普勒风速测量仪等，一般精度较高。我国太阳辐射观测站使用的辐射表大多是热电型的，由感应面和温差电堆组成，E＝A(t1＝t2)，其中E为幅照度，A为常数，t1为感应面温度，t2为冷端温度(空气温度)，记录方式也是模拟读数式。
目前市场上虽然有许多风速计和光辐照度测试仪，但都不能风、光同时测量，而且辐照度测试仪成本较高。气象观测部门对风速的观测一般采用比恩法，10钟记录一次数据，采用模拟读数据，费人力，精度不高，时间间隔较大，并且不能得到时间间隔较小的离散风速、光辐照度数据。
三、发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种能够同时测量风速、光辐照度的测试仪。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种自动风速、光辐照度同步测试仪，包括，一机壳，机壳内设置有控制电路板和与之相连接的电源；其特点是，控制电路板通过电路接口还连接有一测量风机的风速传感器和一能与计算机串口连接的接口转换器；
在控制电路板上设置有微控制器，与微控制器连接有一光频转换器件、和风速信号调理电路；光频转换器件安装在机壳的顶板上且露出于机壳之外，风速信号调理电路通过电路接口和风速传感器相连；微控制器通过串行通信模块和电平转换卡相连。
本发明的其它一些特点是，所述微控制器采用的型号为MSP430F149单片机，所述光频转换器件采用的型号为TSL230B，所述电平转换卡采用的型号为RS485/RS232接口转换器。
所述风速信号调理电路为半波精密整流放大电路，将风速信号调理成直流电压信号。
本发明的风速、光辐照度同步测试仪，可以将风、光同步测量，在一个测试周期内，完成对风速、光辐照度的采集。另一特点是离散数据的小间隔，发明中设定的测试频率是10Hz，所测得的数据，实时性好，离线时可以分析某地的风能、太阳能分布特征，为风光互补分散电源的设计提供依据；在线时，可以将实时数据作为控制信号直接送到分散电源控制中心，得到对实际情况的完全复现，对于风光互补分散电源的研究有着重要的意义。
四、附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的电路框图；
图3是本发明的风速信号调理电路原理图；
图4是本发明实施例中的TSL230B与MSP430F149的接口电路图；
图5是本发明实施例中的具体电路原理图；
图6是本发明的实物图片。
五、具体实施方式
以下结合附图和发明人给出的具体实例，对本发明作进一步的详细描述。
参见图1～6，依照本发明的技术方案，该自动风速、光辐照度同步测试仪，包括，一机壳6，机壳6内设置有控制电路板4和与之相连接的电源5；控制电路板4通过电路接口还连接有一测量风机的风速传感器1和一能与计算机串口连接的电平转换卡7；
在控制电路板4上设置有微控制器401，与微控制器401连接的有一光频转换器件402、和风速信号调理电路403；光频转换器件402安装在机壳6的顶板上且露出于机壳之外，风速信号调理电路403通过电路接口和风速传感器1相连；微控制器401通过串行通信模块和电平转换卡7相连。
在本发明中，测量风速部分仍然使用的是机械风杯旋转式的结构，从EL型电接风向风速仪感应器改装而来，保留其风杯、主轴，小型同步测速发电机和底座。风杯为圆锥形三杯，转动半径R＝14.75cm；风杯轴的下端固定一块八极磁钢，磁钢插在定子线圈中，从而构成一个交流发电机，两根输出端为风速对应的交流电压信号和地。
由于得到的风速电压信号幅值较小，且是交流信号。本发明利用运算放大器设计了一种半波精密整流放大电路(参见图3)，利用集成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差。后级运放将整流后的直流信号再次放大，得到所需要的电压值进入微控制器MSP430F149内部的ADC，3.3V稳压管保护进入AD的电压值不宜过高。将风速信号调理成直流(0-3.3V)。风速值与直流电压值之间成线性比例。
TI(美国德州仪器)公司的TSL230B芯片，可以将光转换成频率信号，本发明中选用了该元件，它主要由多晶硅光电二极管和单片COMS电流频率集成转换器构成。多晶硅光电二极管对光强信号进行光电转换，把一定光谱的光转换成电流，再由电流/频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出频率信号进入微控制器计数。
本发明使用的微控制器选用了TI公司新型的16位单片机MSP430F149，片上资源丰富、功耗极低，开发方便。
本发明的电源部分，采用蓄电池供电，通过电压转换元件7805，7660，LM317分别向控制板提供+5、-5、+3.3电压。
为了实现数据的计算机记录和存储，发明中利用微控制器的串行接口进行通信，通过RS485转换芯片MAX3485E，与PC机的串口相连，实现串行数据接受。PC的串口上需插一块RS485/RS232电平转换卡。
为了能在计算机里接受和存储所测量的实时数据，本发明中采用LabWindows/CVI语言开发了上位机通信程序，安装后即可使用。
本发明风速的测量范围为2～40m/s。
本发明在实施过程中采用的主要零部件如下表所示：
| 部件编号 | 名称 | 数量 | 备注 |
| 1 | 风杯 | 1 | 由EL型电接风向风速计改装而来 |
| 2 | 主轴 | 1 | |
| 3 | 小型同步测速发电机 | 1 | |
| 4 | 控制板 | 1 | 自制(90×60mm) |
| 401 | 微控制器MSP430F149 | 1 | TI公司 |
| 402 | 光频转换元件(TSL230B) | 1 | TI公司 |
| 5 | 蓄电池 | 1 | |
| 6 | 机壳 | 1 | 自制(172×102×140mm) |
| 7 | RS485/232电平转换卡 | 1 |
本发明的工作原理是，测速发电机3的输出为风速speed信号和地。经过图3所示的半波精密整流放大电路后进入微控制MSP430F149的A/D通道；光频转换器件TSL230B，可以直接和微控制器相连接如图4所示。但它必须露出于机壳之外，便于接受光照射。控制板上集成了微控制器及其外围接口电路、TSL230B、485芯片MAX3485E、风速调理部分、几个电压转换芯片等。电源部分采用蓄电池作为能源，可以直接充电免维护。机壳的后面有仪器总的接线端子。
图5是本发明实施例中的具体电路原理图；图中12V蓄电池向系统提供电源，经过7805稳压器件后得到+5V电压，由7660元件将+5V变成-5V电压；12V经过LM317三端可调稳压器件得到3.3V电压。系统中三种电压共存，+3.3V向微控制器MSP430F149和485芯片MAX3485E供电+5V向光频转换器TSL230B供电，同时双运放LM1458需要±5V电压。风速信号经由LM1458和二极管构成的半波精密整流放大电路后得到直流信号，送入微控制器MSP430F149的内部ADC，选择通道A0，单次转换，选用内部电压基准2.5V，3.3V稳压管保护进入AD的电压值不宜过高。与微控制器相连的14针JTAG口，为仿真器接口，供程序调试和下载用。微控制器的P2.0～P2.3与光频转换器件TSL230B的四个控制端S0、S1、S2、S3相连，控制它的灵敏度和输出量程选择，转换后的频率信号由P1.1连接到控制器的捕获输入端。程序中选择上升沿捕获有效，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差，便可以计算出TSL230B输出的频率值。微控制器的串行异步通信口UTXD0、URXD0与MAX3485E的输入输出端相连接，转换后A、B信号线及+5V、地与传输电缆相接。除了以上主要电路模块外还有微控制器的复位电路，滤波电容网络等。
发明人制作了一台风速、光辐照度测试仪，实物见图6。每0.1s采集一次风速和辐照度，数据通过串口自动送计算机存储，能够实现风速、光辐照度的同步测量。采用本发明，所测得数据已在风力发电系统智能控制中得到应用，用来模拟风速输入风机的模拟装置中，该仪器结构简单，成本低，便于携带。
Claims (3)
1.一种自动风速、光辐照度同步测试仪，包括，一机壳【6】，机壳【6】内设置有控制电路板【4】和与之相连接的电源【5】；其特征在于，控制电路板【4】通过电路接口连接有一测量风机的风速传感器【1】和一能与计算机串口连接的电平转换卡【7】；
在控制电路板【4】上设置有微控制器【401】，与微控制器【401】连接的有一光频转换器件【402】、和风速信号调理电路【403】；光频转换器件【402】安装在机壳【6】的顶板上且露出于机壳之外，风速信号调理电路【403】通过电路接口和风速传感器【1】相连；微控制器【401】通过串行通信模块和电平转换卡【7】相连。
2.如权利要求1所述的自动风速、光辐照度同步测试仪，其特征在于，所述微控制器【401】采用的型号为MSP430F149单片机，所述光频转换器件【402】采用的型号为TSL230B，所述电平转换卡【7】采用的型号为RS485/RS232接口转换器。
3.如权利要求1所述的自动风速、光辐照度同步测试仪，其特征在于，所述风速信号调理电路【403】为半波精密整流放大电路，将风速信号调理成直流电压信号。
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