风速风向监测系统设计
【摘要】本文详细介绍了利用单片机作为主控制器，借助风速传感器及风向传感器，将风速和风向这两个参数通过液晶显示出来的系统。该系统可实现实时监测功能。且进行PROTEUS仿真，做出实物。对于工业控制具有重要指导意义。论文主要研究了单片机对数据的采集以及运算过程，以及液晶显示和AD转换这两个子模块的运作原理。研究结果表明：风速风向传感器能精准地将这两个参数值转换为相应的可以识别的信号。此外，单片机也可以高速有效地采集数字信号，并进行精准快速的运算。本文的特色在于：达到了实时监测风速及风向的功能，具有高精度、高灵敏度、可靠性高的特点。
【关键词】单片机；传感器；风速；风向
风速风向监测系统在多个领域有着极其重要的作用。在航空气象服务中，风速、风向是飞机起降过程中不可缺少的一个重要气象要素，数据的准确与否，直接影响飞行安全。同时在农业的生产以及平时的安全出行中，风向风速的检测显得尤为的重要，风向风速的简单检测能通过环境中物体飘逸的方向以及频率来进行判断，但是这样的监测会比较的不准确，可以使用风速风向探测器来进行快速准确的测量，风向风速探测器是一款专业的检测风向风速的仪器，而且在使用时无需专业知识，操作简单，测量具有精度高、可靠性好的特点。
目前，国内外均已研制出相似产品，主控制器多为单片机、ARM。现在单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。PHWS/WD风速风向传感器由PHWS风速传感器和PHWD风向传感器两部分组成。风速传感器采用传统三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好；风向传感器采用精密电位器，并选用低惯性轻金属风向标响应风向，动态特性好。杯体内置的信号处理单元可根据用户需求输出相应信号。
我们现在制作的风速风向监测系统使用这两核心部分，旨在追求更高精度、更高稳定性、更高灵敏度，以及跟高性价比。开发出具有广阔应用前景的风速风向监测系统。
本文主要研究了传感器的应用，传感器对数据的采集，然后经过AD转换，以及单片机的运算处理过程，外加液晶的显示电路。这其中涉及各芯片的初始设置和单片机内的软件编写。最终将画出电路图，完成软件编写，并且购买电子元器件，搭建电路板，做出实物，令其可以实时检测出当地风速以及风向这两个参数的功能。
2.3传感器模块
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。在这里使用的传感器是风速传感器和风向传感器，其主要功能是将自然界
测量风速的方法 20091343107 陈茜茜 环境工程09级1班
高空风观测 测量近地面直至30公里高空的风向风速。通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。 高空风的测量一般指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。其测量方法有：一．利用示踪物随气球漂浮，观测示踪物位移来确定空中的风向和风速； 常用测风气球作为气流示踪物，使用地点跟踪设备观测其运动轨迹，测定其在空间各个时刻的位置，再用图解法、解析法或矢量法确定相应大气层中的平均风向、风速。 气球空间位置的确定需要测定三个参数：仰角δ、方位角α和球高H。测风经纬仪是一种跟踪观测和测定空中测风气球仰角、方位角的光学仪器。 在实际测量中，可以采用单经纬仪测风，也可采用双经纬仪测风（基线测风法）。其中后者准确度较高，可用来鉴定其它测风方法的准确性，但这种方法的观测和计算较复杂。用双经纬仪测风计算高度时，可采用投影法（包括水平面投影法、铅直面投影法和矢量投影法）。 二．利用大气中的质点或湍流团块与无线电波、声波、光波的相互作用，由多普勒效应引起的频率变化推算空中的风向、风速； 在我国，目前主要采用59型探空仪和701型二次测风雷达组成59—701高空探测系统，进行高空温、压、湿、风的综合测量。 三．利用系留气球、风筝、飞机、气象塔等观测平台，使测风仪器安置在不同高度上，根据气流对测风仪器的动力作用来测量空中的风向、风速。
导航测风就是借助导航台信号，由气球携带的探空仪自身确定其位置，并将位置信号、气 象资料信号一起发回基站，然后在基站进行处理，计算高空风的方法。 近地面层以上大气风场的探测。通常用气球法测风。高空风探测也是气象飞机探测、气象火箭探测、大气遥感的内容之一。气球法测风是把气球看作随气流移动的质点，用仪器测量气球相对于观测点的角坐标、斜距或高度，确定它的空间位置和轨迹；根据 气球在某时段内位置的变化,就可以简易地算出它的水平位移,从而求出相应大气层中的平均水平风向、风速。在气球的上升过程中，可测得它所经各高度上的风向、风速。1809年英国J.沃利斯和T.福雷斯特首创测风气球观测高空风。气球法测风常用光学经 纬仪、无线电经纬仪、一次雷达和二次雷达，以及导航系统等。 光学经纬仪测风 有单经纬仪测风和双经纬仪测风两种。单经纬仪只能测定气球的角坐标（方位、仰角）。气球高度一是根据气球升速（决定于气球净举力、气球大圆周长和地面空气密度）和升空历经的时间来确定。但由于大气湍流、铅直气流速度和空气密度随高度变化等因 素对气球升速的影响，这种方法确定的高度误差大，测风精度低，一般只在数千米高度 以下使用。二是根据无线电探空仪测得的气压、温度和湿度资料，通过计算推得高度。 这种方法测风精度较高。用双经纬仪测风，是根据位于选定基线两端的两个经纬仪同步 观测获得的角坐标值，通过几何图解或计算，得出各高度上的平均风向、风速。 光学经纬仪测风一般只适用于能见度好的少云晴天，夜间必须在气球上挂灯笼或其 他可见光源，阴雨天气则只能在可见气球的高度内测风。 无线电经纬仪测风 它是利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空发射机信号，测得角坐标数据。气球所在的高度则由无线电探空仪测量的温、压、湿值算出。因此无线电经纬仪测风适用 于全天候，但当气球低于无线电经纬仪最低工作仰角时，测风精度迅速降低。 雷达测风 一次雷达测风是雷达跟踪气球携带的无源反射靶，接收反射靶的反射信号来实现定位并计算风向、风速。二次雷达测风是跟踪气球携带的工作于应答状态的探空发射机信 号来实现定位的。此法可以获取角坐标和斜距数据，从而计算出高空风，无需依赖无线 电探空仪探测的温、压、湿数据计算气球高度。二次雷达测风当气球低于雷达最低工作 仰角时，要放弃仰角数据。此外，气象多普勒雷达更可测量云中流场的细微结构。 导航测风 利用导航系统来测定风。气球携带微型导航接收机，检出导航信号，并调制探空发射机将信号转发到地面而被接收，根据这些信号，可确定气球的轨迹,并计算出各相应
风向风速仪的简单介绍 一．概述 本仪器为便携式设计的三杯式风向风速仪，仪器测量部分采用了单片技术，可以同时测量瞬时风速，平均风速，瞬时风级，平均风级和对应浪高等5个参数。该仪器所采用的液晶显示屏为专业定制，国内独创，其中测量参数和测量单位直接用汉字显示在液晶屏上，而测量数据显示的数字高达18mm，便于教学演示时较远距离观察。 本仪器采用低功耗设计并采用液晶（LCD）显示，大大减少了仪器的功耗。而且带有数据锁存功能，便于读数，在风向部分采用了自动定北装置，测量时无需人工对北，简化测量操作。仪器具有体积小，重量轻，功能全，耗电省，字符大，显示直观，方便携带等的优点，可广泛用于农林，环境，海洋，科学考察等领域测量大气的风参数。 二．主要技术指标： 1. 风速指标 1）风速测量范围：0～30米/秒， 2）风速测量精度：误差不大于±（0.3+0.03×V）米/秒(V—实际风速) 3）风速传感器启动风速：不大于0.8米/秒 4）可显示的风速参数： 瞬时风速、平均风速、瞬时风级、平均风级、对应浪高 5）显示分辨率：0.1 米/秒（风速） 1 级（风级） 0.1米（浪高） 6）功能及单位直接用显示汉字 显示数字高度：18mm 2. 风向指标 1）风向测量范围：0～360° 16个方位
2）风向测量精度：误差不大于±1/2方位 3）风向传感器启动风速：不大于1.0米/秒 4）风向定北：自动 3. 环境要求 1）工作环境温度：0～45°C 2）工作环境湿度：≤90%RH （无凝结） 4. 供电电源： 1）电源电压：4.5V 5#干电池3节 2）平均耗电流量: ≤5mA(电源为4.5V) 5.尺寸用重量： 1）外形尺寸：400×100×100mm 2）重量：0.5Kg 三. 工作原理：
第一章风速测量 1.1风速测量 风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。风是一个矢量，用风向和风速表示。地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。 1.2 风杯风速计 风杯风速计是最常见的一种风速计。转杯式风速计最早由英国鲁宾孙发明，当时是四杯，后来改用三杯。它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。 图1.1 风杯风速计
1.3 叶轮风速仪 风速计的叶轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对叶轮的转动进行“计数” 并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。 法国KIKO叶轮风速仪工作原理如图1.2所示。叶轮的轴杆启动内含八个电磁极的原型磁铁，置于磁铁旁的双霍尔传感器感测到侧场中电磁极的转变信号。传感器的信号转换为电子频率且和风速成正比，并感测旋转方向。 图1.2 KIMO原理 1.4 热线风速计 一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化（以便于刻度和读数），即可制成热线风速计。 金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。常用的丝直径为5μm，长为2 mm；最小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头。热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。 0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0至5m/s；中速：
第四课风向和风速 【教学目标】 科学概念： 风可以通过自然界中事物的变化来感知，可以用风向和风速来描述。 过程与方法： 自制建议风向标和小风旗。用自制的风向标和小风旗测量风向和风速，并使用适当的方法纪录观察结果。 情感、态度、价值观： 感受到使用简单工具能对天气观察活动提供很大的帮助。进一步提高观察天气现象的兴趣和好奇心。 【教学重点】能描述风向和风速 【教学难点】用自制的风向标和小风旗测量风向和风速，并使用适当的方法纪录观察结果。 【教学准备】分组材料：制作风向标的材料；制作小风旗的材料。 【教学过程】 一、导入 师：你们觉得风是什么？能听到，看到风吗？能用能想到的描述风的词语来描述风吗？ 二、探究内容： （一）风向和风向标 1、出示风向图，简单介绍 简单介绍，风向是指风吹来的方向，可以用八个方位来描述风向。 2、你能通过风水动旗面的情况来辨别风向吗？简单练习。 小结：风向可以用风向标来测量，风向标的箭头指向的是风吹来的方向。 3、制作风向标，并测量风向 （1）出示自制风向标。介绍制作方法 （2）小组讨论：风向标的使用方法 （3）问：我们如何将风向结果添加到当天的天气日历上呢？ （4）我们还可以用哪些方法确定方位和测量风向？ （二）风速和风速等级 1、问：风向可以用风向标进行测量，那么风速也可以测量吗？ 2、介绍科学家利用风速仪测量风速，熟悉“蒲福风力等级”表。我们制作小风旗来测量。 3、分组制作小风旗，研究使用方法 （三）实地观察 1、测量风向和风速 2、记录到天气日历中 教学反思：“风向和风力”一课室内外结合学习。我们的实验室楼就在大操场边，实验室就在底楼，这为我们的室外观察提供了方便。我带学生到气象站，明确方位，利用风向标看风向，到气象室观察风向风速仪，像科学家那样去观察；再带学生到操场，看国旗认风向和风力；用身体、用红领巾感受风向风力。学习用简化的风力等级描述风力。感受风向和风力的观测可以因地制宜，有不同的方法，
基于单片机的风速测量仪的设计 综述 风，特别是井下安全生产中具有重要参考意义，作为气象环境中最活跃的因素，对战争的胜败，武器性能的发挥有着举足轻重的影响风能的利用，也要求人们对风速资源进行长时间的准确监测。当前，风速测量的仪器主要有热线式、热膜式、以及风杯式三种。这几种原理的风速仪测量精度低、范围小、测量周期长、持续工作时间短，且测量结果易受外部环境因素的影响。因此不能满足高效、快速、准确的现代化军事和长时间工作、智能化数据处理的风场监测的需求。 本设计采用压电式超声波换能器，使用AT89S52单片机作为控制器，完成了超声波风速测量仪的软硬件设计。采用汇编语言编程的方法，实现了测量结果的计算和显示。设计完成后能做到，LED数码显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过0.05m/s。 系统硬件电路的设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、键盘，温度补偿电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用89S52或其兼容系列。采用11.0592MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。系统采用555定时器产生145kHz的方波信号，利用计数T1口监测超声波接收电路整形滤波后输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阴极LED数码管，段码用电阻器驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 超声波发射电路 发射电路主要由555定时器，74LS123构成的单稳态触发电路、放大环节，和超
声波发射换能器T构成，LM555多谐振荡器端口3输出的145kHz的方波信号一路经触发电路，放大电路后送到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用加入耦合电容C4，用以提高发射驱动能力。上位电阻R6一方面可以提高三极管的放大输出能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构在下文中有介绍，它有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志T和R。 超声波检测接收电路 压电式超声波换能器S将收到的超声信号转换成电信号，并经R7、R8、R9、C5、C6和1/4 LM324组成的选频放大电路放大后，送检波电路Dl、C7、R10进行包络检波，检出涡街信号。涡街信号在电压比较器和RC滤波电路构成的整形滤波环节中与输入的基准电压1/2Vcc作比较，被整形为与风速成正比的矩形波，信号周期随检波信号变化而变化。 超声波风速测量仪的软件设计主要由主程序，超声波接收程序及显示，键盘子程序，温度补偿子程序组成。我们知道汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波风速测量仪的程序要求精细计算（单位时间内的整形完成的超声波矩形方波个数时），所以控制程序采用汇编语言混合编程。 超声波测距仪的算法设计
超声波风速风向仪设计 1.研究背景及意义 风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。 2.国内外研究历史及发展状况 超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。 从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超声波流量
行业内的朋友们都知道，农业气象仪器的种类非常繁多，如温湿度记录仪、光合有效辐射仪、二氧化碳记录仪、积温积光仪等等，今天要和大家分享的一款仪器，该仪器也是属于农业仪器的一类，那就是手持式风速风向仪，该仪器采用便携式设计，可用于测量瞬时风速风向。 在农业生产中，风速适度对改善农田环境条件起着重要作用。近地层热量交换、农田蒸散和空气中的二氧化碳、氧气等输送过程随着风速的增大而加快或加强。风可传播植物花粉、种子，帮助植物授粉和繁殖。风能是分布广泛、用之不竭的能源。 当然，风对农业也有造成危害的一面： 1、大风使果树、农作物叶片机械擦伤、作物倒伏、落花落果而影响产量。 2、牧区的大风和暴风雪可吹散畜群，加重冻害。 3、大风还造成土壤风蚀、沙丘移动，而毁坏农田。在干旱地区盲目垦荒，风将导致土地沙漠化。 4、风能传播病原体，蔓延植物病害。高空风是粘虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、飞蝗等害虫长距离迁飞的气象条件。 正常的风对农业生产很有作用的，所以对风速和风向进行测量对农业也会有很大的帮助。在农业生产中使用手持式风向风速仪，测量并记录风向、风速，则可以减少风对农业带来的影响，在一定程度上保证农业的生产安全。 据了解，托普云农TPJ-30-G手持式风速风向仪主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。其内部采用了先进的微处理器作为控制核心，外围采用了先进的数字通讯技术。系统稳定性高、抗干扰能力强，检测精度高，风杯采用特殊材料制成，机械强度高、抗风能力强，显示器机箱设计新颖独特，坚固耐用，安装使用方便。并且具有技术先进，测量精度高，数据容量大，遥测距离远，人机界面友好，可靠性高的优点，广泛用于气象、海洋、环境、机场、港口、工农业及交通等领域。
基于单片机的风速风向检测系统设计 时间：2011-03-01 16:46:08 来源：电源技术应用作者： 摘要:介绍了一种风速风向传感器原理,选用LPC921单片机设计了数据采集和数据传输的检测系统,给出了系统硬件电路图和软件流程图,分析了硬件设计和软件编程中的一些问题。 1 引言 风速风向测量是气象监测的重要组成部分, 测量风速风向对人类更好地研究及利用风能和改善生活生产有积极的影响。 本系统针对传感器的特点选用了LPC921 单片机,通过I/O 口输出高低电平,通过放大电路驱动继电器,控制传感器电源的开关。利用单片机的两个通用定时计数器, 对风速脉冲进行定时和计数, 通过计算单位时间内的脉冲数计算出风速。风向则是检测输入的风向格雷码, 将格雷码转换成二进制码, 通过查表的方式求出风向角度, 最终确定风向。最后设计RS485 通信协议,保证通信可靠性, 将风速风向数据送往上位机进行显示和发布。 2 传感器工作原理 本系统采用长春气象仪器研究所的EC9 -1 系列高收稿日期:2010-03-05动态性能测风传感器。EC9 - 1 系列传感器具有动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大等特点。 风速传感器的感应组件为三杯式风杯组件, 当风速大于0.4m/s 时就产生旋转, 信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力驱动下风杯组旋转, 通过主轴带动磁棒盘旋转, 其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场, 通过霍尔磁敏元件感应出脉冲信号, 其频率随风速的增大而线性增加。 计算公式:V=0.1F。 V:风速,单位:m/s; F:脉冲频率,单位:Hz风向传感器的感应组件为前端装有辅助标板的单板式风向标。角度变换采用的是七位格雷码光电码盘。 当风向标随风旋转时, 通过主轴带动码盘旋转, 每转动2.8125°,位于码盘上下两侧的七组发光与接收光电器件就会产生一组新的七位并行格雷码,经过整形、倒相后输出。方位- 角度- 格雷码- 二进制码对照表是风向测量单片机编程的重要依据。传感器结构组成如图1 所示。
& 超声波风速风向仪设计 1.研究背景及意义 风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。 2.国外研究历史及发展状况 超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。 从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管
TECHNICAL SERVICE MANUAL TO ANEMOSCOPE MODEL CZ-5 CZ-5型风速风向仪技术手册 1 general 1.1 functions Meteorological states are very important to sailing safety ooof ships on the sea and the rate of hitting the target of weapons on the ships. Anemoscope model cz-5 is instrument suitable for all sorts of large-scale and medium-sized ships to measure meteorological parameters of area where ships are. The anemoscope is intellectualized by the eight-digit single-chip microcomputer 8031.the instrument is composed of the main instrument and repeater indicator and sensors. It can measure some meteorological key elements such as combined wind direction, combined wind velocity, in 120seconds and maximum wind velocity in 120seconds. The wind scale is determined according to average sliding wind velocity in 120seconds. The maximum wind direction angle value is evaluated from the wind direction value collected in 120 seconds. When the repeater indicator is distributed, it can indicate distantly some main meteorological key elements above and communicate with the outer system computer. 翻译： 1 总论 1.1 仪器用途 气象海况对于海上航行安全及舰艇武器命中率极为重要。CZ-5型风速风向仪是使用于各类大中型舰船测量所在海域气象数据的仪器。 CZ-5型风速风向仪是以八位单片机8031为核心的智能化仪器。该仪器有主仪器，传感器，分显示器三大部分组成。它能测量合成风向，合成风速等气象要素，并能解算出120秒滑动平均风速，120秒内的最大风速；根据120秒滑动平均风速测定出风级；根据120秒内采集到的风向值求得最多风向角值。配上分显示器，可以远距离显示以上一些主要气象要素及与外系统计算机通讯。 1.2 composition of the Instrument a. main instrument b. wind direction and velocity sensor (in the shape of small plane). c. repeater indicator (several sets may be disposed according to the needs of the customer). 1.2 仪器的配套组成 a. 主仪器 b. 风向传感器（小飞机形状） c. 分显示器（可按用户需要配置数台） 2. Usage 2.1 Operation of instrument 2.1.1 Instrument panel There are three display windows on it. The 1-digit window in left is mode number. The data displayed in the middle 3-digit one and the left 4-digit one is to indicate the contents displayed under current mode. You can see the contrast table on the panel to know what does the data means. There are four operation buttons on panel, including one reset buttons, one working mode selecting buttons, one dimmer switch, and one power switch. 翻译： 2. 使用 2.1 仪器的操作使用说明 2.1.1 仪器面板 在上部有三个显示窗口，左面一个窗口为一位状态码，中间的三位数字窗口和右边的四位数字窗口指出在该状态下显示的内容，其具体的意义可查面板上的对照表。 本仪器有四个操作钮，包括一个复位按钮，一个工作状态选择按钮，一个调光按钮，一个电
风向风速仪的组成及作用分析 在农业种植生产中，风既有利也有弊。适度的风可以帮助作物传播花粉、种子，帮助作物繁殖，有效地改善农田的环境条件。同时风也是有害的，主要体现在强大的风速则会造成土壤风蚀沙化，并在一定程度上影响着农事活动和破坏农业生产设施。因此在农业种植生产中测量风向和风速是非常重要的，测量风向风速的方法有很多，目前市场上应用比较广的方法是使用风向风速仪。 TPJ-30-G风向风速仪也叫风向风速记录仪，是由托普云农研发生产的，该仪器主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。仪器自带无线传输功能，通过GPRS上传，所测量数据可通过一键发送或设置数据发送间隔，实时发送至服务器，上网页查看数据，无论身在何处只要能上网，均可查看下载数据。含手机APP，支持安卓系统和苹果系统，可保证用户随时随地的查看监测的实时数据。仪器还带有语音报警功能，可对超限信息及时播报。 以上便是风向风速仪产品本身的功能，利用风向风速仪监测风向风速，是对异常风防范的第一步，也是非常重要的一步。是避免风对产能影响的重要措施，只有通过监测，才能了解该地区的风向风速变化的规律。如果是经常发生异常风的地区，可选用矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗风品种进行种植，减少风对作物生长的影响，同时还可建造防风林、设置风障等手段进行有效防风。 正确的使用仪器是保证测量结果准确性的重要一步，大家在使用风向风速仪时应该详细的按照使用说明书进行操作，除此之外，在日常使用维护中还需要注意以下几点：一是不要将仪器放置在高温高湿的环境以及多尘和阳光直射的地方，否则，易导致内部器件的损坏或者性能方面的变化。二是在使用仪器时，严防碰撞和震动，不可在含尘量过多或有腐蚀性的场所使用。三是仪器长期不使用时，请取出内部的电池，否则电池可能漏液或者导致仪器损坏。
第一章风速测量1.1风速测量 风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。风是一个矢量，用风向和风速表示。地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。 1.2 风杯风速计 风杯风速计是最常见的一种风速计。转杯式风速计最早由英国鲁宾孙发明，当时是四杯，后来改用三杯。它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。 图1.1 风杯风速计 1.3 叶轮风速仪 风速计的叶轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对叶轮的转动进行“计数” 并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。 法国KIKO叶轮风速仪工作原理如图1.2所示。叶轮的轴杆启动内含八个电磁极的原型磁铁，置于磁铁旁的双霍尔传感器感测到侧场中电磁极的转变信号。传感器的信号转换为电子频率且和风速成正比，并感测旋转方向。 图1.2 KIMO原理 1.4 热线风速计 一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化（以便于刻度和读数），即可制成热线风速计。
金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。常用的丝直径为5μm，长为2 mm；最小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头。热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。 0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。热线风速计用于0至5m/s的精确测量，使用温度约为±70℃。 当在湍流中使用热线风速计时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会影响到测量结果的准确性。在湍流中测量时，热敏式风速仪流速传感器的示值往往高于转轮式风速计。因此，风速仪测量过程应尽量在通道的直线部分进行。直线部分的起点应至少在测量点前10×D（D=管道直径，单位为CM）外；终点至少在测量点后4×D处。流体截面应不得有遮挡（棱角，重悬，物等）。 图1.3 热线风速计 1.4.1 恒流式热线风速计 通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速。利用风速探头进行测量。风速探头为一敏感部件。当有一恒定电流通过其加热线圈时，探头内的温度升高并于静止空气中达到一定值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势相互抵消，使输出信号为零，风速仪指针也能相应指于零点或显示零值。若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量仪表系统放大并推动电表指针 变化从而指示当前风速或经过单片机处理后通过显示屏显示当前风速数值。 1.4.2 恒温式热线风速计 风速仪热线的温度保持不变，给风速敏感元件电流可调，在不同风速下使处于不同热平衡状态的风速敏感元件的工作温度基本维持不便，即阻值基本恒定，该敏感元件所消耗的功率为风速的函数。 恒温风速仪则是利用反馈电路使风速敏感元件的温度和电阻保持恒定。当风速变化时热敏感元件温度发生变化，电阻也随之变化，从而造成热敏感元件两端电压发生变化，此时反馈电路发挥作用，使流过热敏感元件的电流发生相应的变化，而使系统恢复平衡。
风速仪风向标原理 当前风场所使用的风速仪风向标种类主要有两种，机械式和超声波风速风向仪，其中使用较多的是机械式风速仪，利用机械部件旋转来敏感风速大小，并结合风向标获得风向，尽管这种方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，寿命有限，维护成本较高。另外，其检测精度也不高，而采用超声波风速风向测量系统，精度高，可靠性高，寿命长且维护成本相对较低。 1.超声波风速风向测量原理 系统由超声波探头，发射接收电路，电源模块，发射接收控制及数据分析处理中心和数据结果显示单元组成。四个超声波探头成90度布置。可以测到两个方向的风速值，经矢量合成运算，可以得到风速风向值。发射接收电路在不同时刻，即可以驱动探头发射超声波，又可以接受探头受到的超声波信号，可以地隔离、发射接收互不影响。电源模块提供电路所需要的5V和12V直流稳压电源。发射接收控制及数据分析处理中心产生超声波信号，经发射接收电路放大后驱动探头发射；对探头接收带的信号进行采样，将模拟信号转换为数字信号；对探头的发射接收顺序进行控制；对发射时刻和信号到达时刻进行判断，计算出传播时间;分析处理数据结果，计算出风速风向值，传输给数据结果显示单元，数据结果显示单元将以数字形式直观的现实出瞬时风速风向值或某一段时间的平均风速值 2机械式风向标（NRG相同工作原理）
图1 图中：WIND ORIENTATION VANE ：风向标 风向标和风速计位于机舱的后部外侧。 风向标包括两个需要提供24V电源（白色+，棕色/黄色/粉红色-）的光耦合器：B302指示0°，B303指示90°。在风向标（底部）的固定部分有底座，外加整个电子电路。不固定部分（顶部）包括风向标本身和位于基座内部的金属半环。 金属半环的作用是随着风向标的转动,通过光耦合器起动它们或者停止它们的工作。 当金属半环通过光耦合器时信号为低电平（0V），而出现相反的情况时信号为高电平（24V）。见图1。 恒定的高电平信号表示0%屏蔽，也就是说，金属环不在光耦合器里。 在高电平和低电平之间变动的信号表示50%屏蔽，也就是说，金属环“是-不是”恒定通过光耦合器。 恒定的低电平信号表示100%屏蔽，也就是说，金属环一直在光耦合器里。 根据这些百分比，可以得知机舱的偏向。 当机舱已被定向，而风向标随着风摆动时，0°传感器信号（绿色电缆），在高电平和低电平之间一直变化；而90°传感器信号（灰色）给出恒定的高电平信号。
ＤＭＬ－１０１型风向风速仪接线方法 注意： 数字式显示器可以使用交流ＡＣ１００ Ｖ或ＡＣ２２０ Ｖ电源与直流ＤＣ１２Ｖ或ＤＣ２４Ｖ电源。 出厂设置为ＡＣ１００ Ｖ电源，使用ＡＣ２２０ Ｖ电源需要事先说明。 一风向风速传感器接线方法： 连接电缆规格：0.25 mm2-- １．２５ mm2的６芯电缆． 0.3 mm2×６芯电缆 遥测距离约１００米 0.5 mm2×６芯电缆 遥测距离约２００米 1.25 mm2 ×６芯电缆 遥测距离约２００米以上 取0.25 mm2---１．２５ mm2的６芯电缆，在电缆的２头分别标上１－６号号码标识，用户在连接时请按号连接。
二客户端（显示器侧端口）接线方法： 打开显示器的盖子，可以看到接线盒，上面标有记号。 １－ ６号接线端 连接上１号 － ６号接线头。 ７－ ８号接线端 ＤＣ１２Ｖ电源输入端口。 ９－１０号接线端 ＤＣ２４Ｖ电源输入端口。 注意：为了避免连接错误损坏仪器，电缆两端请勿必标上号码标识。 连接好以后，为了安全起见，请再确认一下配线。 三风向风速传感器侧端口（信号输出端口）接线方法： 焊接面正视图 如图所示： 拧开风向风速传感器侧下方连接插头，可以看到１－６号接线端口。用电铬铁，依据号码标识进行焊接即可。组裝时应注重防雨／防水对策。 注意： 连接好以后，为了安全起见，请再确认一下配线。
四 风向风速传感器安装方法： ① 风向风速传感器底座上刻有「Ｎ」、「Ｓ」极 ／ 光进专用法兰盘（选配件）上也刻有「Ｎ」极。 舰船上安装： 「Ｎ」极正对船艏「正前方向」即可。 陆地上安装： 「Ｎ」极正对北极、「Ｓ」极正对南极。 车辆上安装： 「Ｎ」极正对车辆「正前方向」。 安装时使用指北针， 风向风速传感器底座上「Ｎ」极对「正北方」即可。 （使用指北针，注意指北针不能放在铁製的法兰盘上使用，会影响指示。） ② 安装时风向风速传感器侧下方的连接器应注重防雨／防漏对策，敬请注意！ ③ 风向风速传感器安装时，需要用法兰盘固定，法兰尺寸参见ＣＡＤ图。 ④ 风向风速传感器安装时，传感器与法兰盘之间需垫入橡胶垫圈，作减震与防震之用。 ⑤ 连接插头外侧用防水胶布包扎，注重防雨／防水／防漏对策。 车载安装小技巧： 可设计一种水平３６０°可旋转固定，垂直９０°可横卧放下固定的法兰盘装配件。 水平３６０°可旋转固定安装方式 －－－－－－ 手动校正停车时的方向位 垂直９０°可横卧放下固定安装方式 －－－－－－ 车辆高速行驶时保护传感器 正确调整风向风速传感器的方向位，就可以取得「真风向」的风向数据。 注意： 安装时风向风速传感器侧下方的连接插头应注重防雨／防漏对策，敬请注意！ 五 风向风速显示器安装方法： 风向风速显示器可以安装在台上，也可以安装在屋顶上。
仪器科学与电气工程学院 本科生科技学术实践“六个一”工程 调研报告 风速风向测量 ——“车载微型气象站”大创项目 学生姓名*** 班级** 学号**** 指导教师*** 学院********* 专业******
光电编码器测量风速风向 摘要： 由于气象事业已经和人们的民用和工业活动密不可分,在国防建设、社会进步、经济发展中,气象采集技术扮演着重要的角色,同时随着国家可持续发展战略的实施,气象采集技术对我们越来越重要；随着人们对气象信息需求的不断变化,传统的气象观测模式已经无法满足人们的需要,因此,自动气象数据采集技术在我国有了很好的发展；气象数据采集系统的物联性直接影响着数据实用性,从而,如何实现广泛地从全国各地以致世界各地采集数据信息并汇总,今后必然是极其有意义的一个研究方向。 本项目设计目的是研究物联网式、低成本、大范围地对各地风速风向数据进行采集。使用51单片机和光电编码器可以实现要求，故计划设计一套基于51单片机的光电编码器风速风向测量系统,以stc52芯片为核心,采用了模块化的设计思想,根据电路功能是的测量数据数字化，实现单片机对风速风向数据的接收、处理、校准等工作。同时在软件设计中采用了外部中断对接收信号进行计数和通过计时器进行定时数据处理的数据处理方法来精确定位计数脉冲经历的时间,对程序进行了整体优化。保证系统可实现风参数的精确测量、实时显示及与sd卡存储等功能。 关键词：风速风向；光电编码；单片机 一.调查方案与背景分析 1．调研主要内容、目标与方案（途径）简介 调研内容：（1）背景现状与发展前景，（2）测量方式，（3）工作原理（4）技术方案与技术指标，（5）优点和缺陷。 调研目标：（1）了解风速风向系统测量方法的设计原理和技术方案； （2）了解光电编码器的工作原理； （3）分析发现现有系统的优点以及存在的问题和缺陷。 调研方案：（1）网上搜寻关于风速风向的测量的研究现状； （2）咨询老师学长学姐； （3）与队友探讨原理和技术方案。 2. 研究背景与前景 转速是工程应用中非常广泛的一个参数，其测量方法较多。传统的转速测量方法主要采用直流测速机，其原理是由被测电机拖动测速发电机，再对测
EST . 1838 Proven Accuracy and Reliability Wind Speed and Direction System The Walker 2050 uses a Combined Anemometer Cup & Vane Direction Sensor, the P296. This gives high accuracy in a robust compact package! The Sensor connects directly to a standard Walker DIN 144 wind speed & direction indicator, the P249, which gives digital displays of relative wind speed & direction. Wind direction is also displayed on a simulated analogue display by 72 LEDs. True wind systems are available by using this sensor with the Walker P1066 True Wind Interface Unit.
Walker 2050 Mk2 Wind Speed & Direction System, using P296Combined Sensor Unit System Parameters Input voltage: 24v DC 40mA Wind Speed Measurement Range 0–100 knots Accuracy +/- 0.5 knots Resolution 0.1 knots Wind Direction measurement Range 0°– 359° Accuracy +/- 3°Resolution 0.1°Environmental Operating Temperature Sensor -35 °C to +70 °C Indicator 0 °C to +55 °C Storage Temperature Sensor -40 °C to +90 °C Humidity <5% to 100%Option: 2050 Mk2 Wind Speed & Direction True System, P1066 True Wind Specification System The sensor converts wind speed and direction into serial digital data. Data is displayed by the P249 Indicator in digital format and also in analogue for wind direction. The instrument interfaces in NMEA 0183/RS422 to other ship systems. Sentence – MWV Sensor Mounting by base flange. Sealed to IP65 (when correctly mounted)Weight: 0.92 Kg plus 3kg for 40 metre cable and connector assembly. Indicator Standard DIN 43700 case; 144 x 144 mm – depth 110mm Weight: 1.2 Kg Mounted by panel clips or drilled frame supplied. Connection by three cable glands to rear connection box.Cables: 4.5 to 7 mm dia.Controls:Illumination Lamp Test Select Units, Knots, Metres/Sec and Kilometres/Hour. Front panel splash proof when installed correctly. Indicator Type Approved to EMC European Directive IEC 60945 L I L L E Y &G I L L I E Directing International Shipping since 1812 Tel: +44(0)191 257 2217Fax: +44(0)191 257 1521 E-Mail: sales@https://www.doczj.com/doc/f018794359.html, Web: https://www.doczj.com/doc/f018794359.html,