測(cè)風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)計(jì)

2008級(jí)傳感器課程設(shè)計(jì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀報(bào)告書姓 名任文凈學(xué) 號(hào)院、系、部電氣系專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化目 錄1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書22 概述32.1 風(fēng)速風(fēng)向儀簡(jiǎn)介32.2 風(fēng)速風(fēng)向儀原理及特性33 光電傳感器53.1 光電傳感器簡(jiǎn)介53.2 光電傳感器原理及特性63.3 光電式傳感器的選型73.4 信號(hào)處理模塊分析74 基于光電傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)84.1電路的設(shè)計(jì)85風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)85.1 風(fēng)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)85.2 風(fēng)向測(cè)量程序設(shè)計(jì)95.3 C語言程序11總結(jié)與展望17參考文獻(xiàn)171 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量是氣象監(jiān)測(cè)的重要組成部分, 測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向?qū)θ祟惛玫匮芯考袄蔑L(fēng)能和改善生活生產(chǎn)有積極的影響。一、主要內(nèi)容設(shè)計(jì)制作風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀：1風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)速組件，由三個(gè)碳纖維風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號(hào)。2風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。二、基本要求1. 實(shí)現(xiàn)基本功能2完成3000字設(shè)計(jì)報(bào)告3. 發(fā)揮部分，設(shè)計(jì)信號(hào)采集顯示部分，完成信號(hào)傳輸。三、主要技術(shù)指標(biāo)（或研究方法）測(cè)量范圍 070m/s 0360 精 度 （0.3+0.03V）m/s 6（ 3） 最大回轉(zhuǎn)半徑 90 m m 365 m m 分 辨 率 0.1 m/s 5.6（ 2.8） 起動(dòng)風(fēng)速 0.5m/s 0.5m/s 輸出形式 方波 6位（7位）碼（或電壓） 工作電壓 5V12V 5V12V 工作電流 10mA 20mA （或23mA） 工作環(huán)境 溫度-6050 濕 度100RH 溫度-6050 濕度100RH 2 概述2.1 風(fēng)速風(fēng)向儀簡(jiǎn)介風(fēng)向、風(fēng)速儀用于測(cè)量瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向，具有自動(dòng)顯示功能。主要由支桿，風(fēng)標(biāo)，風(fēng)杯，風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)器組成，風(fēng)標(biāo)的指向即為來風(fēng)方向，根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速來計(jì)算出風(fēng)速。內(nèi)置或外接各種進(jìn)口原裝傳感器，采用微功耗單片機(jī)對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采集的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)不易失存儲(chǔ)器內(nèi)。風(fēng)向風(fēng)速儀由微處理器和高動(dòng)態(tài)特性的測(cè)風(fēng)傳感器組成。它適用于氣象、能源、環(huán)保、農(nóng)林以及軍工等場(chǎng)所測(cè)量風(fēng)向風(fēng)速。本儀器體積小，重量輕，功能全，可廣泛用于 農(nóng)林、環(huán)保、海洋、科學(xué)考察等領(lǐng)域測(cè)量大氣的風(fēng)參數(shù)。風(fēng)速風(fēng)向儀由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。 1、風(fēng)向部分：由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)向度盤（磁羅盤）等組成，風(fēng)向示值由風(fēng)向指針在風(fēng)向度盤上的位置來確定。 2、風(fēng)速部分：采用傳統(tǒng)的三環(huán)旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)，儀器內(nèi)的單片機(jī)對(duì)風(fēng)速傳感器的輸出頻率進(jìn)行采樣、計(jì)算，最后儀器輸出瞬時(shí)風(fēng)速、一分鐘平均風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)級(jí)、一分鐘平均風(fēng) 級(jí)、平均風(fēng)速及對(duì)應(yīng)的浪高。測(cè)得的參數(shù)在液晶顯示器上用數(shù)字直接顯示出來。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。 風(fēng)速傳感器 風(fēng)向傳感器圖2-1傳感器結(jié)構(gòu)圖2.2 風(fēng)速風(fēng)向儀原理及特性風(fēng)速風(fēng)向儀的工作原理：風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個(gè)碳纖維風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號(hào)。 風(fēng)向傳感器的變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化，尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)通過軸桿帶動(dòng)電位器軸芯轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在電位器的活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電阻信號(hào)輸出。風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。風(fēng)速風(fēng)向儀的特性：1.數(shù)據(jù)記錄儀全程跟蹤記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、記錄時(shí)間長(zhǎng)。 2.記錄風(fēng)速風(fēng)向的參數(shù)的變化，可以隨時(shí)記錄數(shù)據(jù)。3.記錄時(shí)間間隔可以在記錄儀應(yīng)用軟件上進(jìn)行設(shè)置，2秒至24小時(shí)任意可調(diào)，風(fēng)速風(fēng)向的變化隨著時(shí)間的變化而變化，監(jiān)測(cè)過程中風(fēng)俗風(fēng)向的變化值實(shí)時(shí)保存在電腦的硬盤中，十分方便。3 光電傳感器3.1 光電傳感器的簡(jiǎn)介光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。 光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。實(shí)物圖如3-1。 圖3-1光電傳感器實(shí)物圖3.2 光電傳感器的原理及特性光電傳感器原理：由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換 成連續(xù)變化的光電流,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上,再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān). 光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電 載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流很小，比一般三極管的穿透電流還?。划?dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。光電傳感器的特性：檢測(cè)距離長(zhǎng) 如果在對(duì)射型中保留10m以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測(cè)。 對(duì)檢測(cè)物體的限制少 由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物體限定 在金屬，它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。 響應(yīng)時(shí)間短 光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。 分辨率高 能通過高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。 可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè) 可以無須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長(zhǎng)期使用。 可實(shí)現(xiàn)顏色判別 通過檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。 便于調(diào)整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。3.3光電式傳感器選型及介紹本設(shè)計(jì)選用的是反射式光電傳感器，反射式光電傳感器廣泛應(yīng)用于點(diǎn)鈔機(jī)、限位開關(guān)、計(jì)數(shù)器、電機(jī)測(cè)速、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、液位開關(guān)、金融設(shè)備、娛樂設(shè)備（自動(dòng)麻將機(jī)）、舞臺(tái)燈光控制、監(jiān)控云臺(tái)控制、運(yùn)動(dòng)方向判別、計(jì)數(shù)、電動(dòng)繞線機(jī)計(jì)數(shù)、電能表轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)量反射式光電傳感器的工作原理：自帶一個(gè)光源和一個(gè)光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測(cè)物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息。可以用來檢測(cè)地面明暗和顏色的變化，也可以探測(cè)有無接近的物體。其特點(diǎn)為，1、安裝接線簡(jiǎn)便；2、安裝使用時(shí)便于光路對(duì)齊；3、不受被檢物的形狀、顏色和材質(zhì)影響；4、相對(duì)于對(duì)射式光電傳感器，節(jié)省安裝使用空間。3.4 信號(hào)處理模塊分析在該信號(hào)處理是光電傳感器收集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由放大電路把采集到的信號(hào)放大輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。該放大電路是將采集到的2.2V電壓信號(hào)放大為5V的電壓信號(hào)輸入即可。4 基于光電傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)4.1電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理圖如圖4-1所示，通過電路與單片機(jī)的通信即可從數(shù)碼管讀出要檢測(cè)的脈沖數(shù)，電路簡(jiǎn)單，精度高，容易實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)。 圖4-1系統(tǒng)電路圖5風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)5.1 風(fēng)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)由測(cè)風(fēng)傳感器資料可知, 0.1 ,其中為傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖頻率。將做為定時(shí)器, 將作為計(jì)數(shù)器。與同時(shí)工作, 如果定時(shí)秒, 則計(jì)數(shù)值即為此刻風(fēng)速的倍。由此可知最終的風(fēng)速測(cè)量精度為0.1 /s。LPC921 的兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器共有5 種工作模式,本系統(tǒng)選擇模式1,即T0,T1 均為16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器,THn 和TLn 級(jí)聯(lián),無預(yù)分頻器。系統(tǒng)選用7.373MHz 外部晶振, 在不預(yù)分頻情況下, 定時(shí)計(jì)數(shù)器工作頻率為:7.373/2MHz。16 位的定時(shí)器在初值為0 的情況下, 溢出一次共計(jì)時(shí)次數(shù)為6 5 5 3 5(0xFFFFH),共計(jì)時(shí)時(shí)間為17.777ms,所以在定時(shí)器中斷56 次之后共計(jì)延時(shí)約1 秒。風(fēng)速測(cè)量子程序流程圖如圖5-1 所示。、圖5-1 風(fēng)速測(cè)量子程序流程圖5.2 風(fēng)向測(cè)量程序設(shè)計(jì)風(fēng)向測(cè)量先測(cè)得4 位格雷碼的輸入, 通過4 位輸入值計(jì)算出格雷碼, 再通過格雷碼換算成二進(jìn)制碼, 最后通過查表法得出風(fēng)向角度。格雷碼(Gray code),又叫循環(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼。格雷碼屬于可靠性編碼, 是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式, 因?yàn)? 自然二進(jìn)制碼可以直接由數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào), 但某些情況, 例如從十進(jìn)制的3 轉(zhuǎn)換成4 時(shí)二進(jìn)制碼的每一位都要變, 使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點(diǎn), 它是一種數(shù)字排序系統(tǒng), 其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個(gè)數(shù)字不同。它在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí), 只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆。表1 方位- 角度- 格雷碼- 二進(jìn)制碼對(duì)照表十進(jìn)制數(shù)自然二進(jìn)制數(shù)格雷碼十進(jìn)制數(shù)自然二進(jìn)制數(shù)格雷碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000n 位格雷碼轉(zhuǎn)換到n 位二進(jìn)制碼的邏輯關(guān)系式(B 代表二進(jìn)制碼,R 代表格雷碼):Wind_Tbl 數(shù)組里面依次存儲(chǔ)的是二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的角度值, 該值來源于方位- 角度- 格雷碼- 二進(jìn)制碼對(duì)照表, 該表由傳感器資料提供。如表1 所示。5.3 C語言程序#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int /宏定義sbit lcdrs=P10;sbit lcden=P11;#define Da P2 /液晶1602數(shù)據(jù)口uint temp; /保存檢測(cè)到的電平數(shù)據(jù)以便比較 uint count; /用于計(jì)數(shù) uint aa,bb; /用于計(jì)數(shù)uint speed; /用來計(jì)算轉(zhuǎn)速void delay(uchar z);void time_init(); /定時(shí)器的初始化void write_com(uchar com); /液晶寫指令void write_data(uchar date); /液晶寫數(shù)據(jù)void lcd_init(); /液晶初始化void display(uint rate); /顯赫速度void int0_init(); /定時(shí)器0初始化void main() time_init(); /定時(shí)器的初始化 lcd_init(); /液晶初始化 int0_init(); /外部中斷初始化 while(1) void time_init() TMOD=0x11; /兩個(gè)定時(shí)器都設(shè)定為工作方式1 十六位定時(shí)計(jì)數(shù)器 EA=1;/開啟總中斷 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; /定時(shí)初值 ET0=1; TR0=1; /開中斷 void int0_init() /加個(gè)防偽 EX0=1; /外部中斷源可以申請(qǐng)中斷 IT0=1; /外部中斷源下降沿觸發(fā)void timer0() interrupt 1 using 0 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;/裝載初值 50ms aa+; if(aa=20) /1s 時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù) aa=0; temp=count*10/16; /計(jì)算風(fēng)速，每米轉(zhuǎn)多少圈,每圈設(shè)定多少個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)算 /（若設(shè)定風(fēng)速為1m/s時(shí)，葉片每秒轉(zhuǎn)2圈，每圈給傳感器8個(gè)脈沖，屏幕顯示的值為count/16） count=0; /重新開始計(jì)數(shù)脈沖數(shù) display(temp); /把計(jì)算得的結(jié)果顯示出來 /*外部中斷*/void service_int0() interrupt 0 count+; /來一個(gè)下降沿沿就計(jì)一個(gè)脈沖數(shù) /*顯示函數(shù)*/void display(uint rate) uchar wan,qian, bai,shi,ge; wan=rate/10000; /萬轉(zhuǎn) qian=rate/1000%10; / bai=rate/100%10; shi=rate/10%10; ge=rate%10; write_com(0x80); write_data(0+wan); write_data(0+qian); write_data(0+bai); write_data(0+shi); write_data(.); write_data(0+ge); write_data(m); /單位 write_data(/); write_data(s); /*延時(shí)函數(shù)*/ void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-) ; /*寫指令*/ void write_com(uchar com) lcdrs=0;Da=com;delay(1);lcden=1;delay(1);lcden=0;