CN202956389U

CN202956389U - 一种便携式风速测量装置

Info

Publication number: CN202956389U
Application number: CN 201220512632
Authority: CN
Inventors: 钱殿伟; 张博雅
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2022-10-08

Abstract

本实用新型公开了测量仪器技术领域的一种便携式风速测量装置。其技术方案是，所述装置包括风速信号测量模块、风速信号放大模块、风速信号处理模块和风速信号显示模块；所述风速信号处理模块包括单片机和A/D转换器；所述装置包括风速信号测量模块、风速信号放大模块、A/D转换器、单片机、风速信号处理模块和风速信号显示模块顺次连接。本实用新型的效果为，测量装置的风向标部分设计为可拆卸型，不仅携带方便，而且易于维护和更换，实现风速信号的测量、存储和显示功能。

Description

一种便携式风速测量装置

技术领域

本实用新型属于测量仪器技术领域，尤其涉及一种便携式风速测量装置。

背景技术

风速仪是用于气象台、化工、电站、工矿企业等单位用于记录风的行程并且观测瞬时风速的装置，实现风速指示的数字化和自动化，对相关单位具有重要的现实意义。

目前国内外的风速仪主要分为三类，第一类为螺旋桨式风向风速传感器，风速测量是利用一个低惯性的三叶螺旋桨作为感应元件，桨叶随风旋转并带动风速码盘进行光电扫描输出相应的电脉冲信号，这种螺旋桨式风速传感器禁锢性较差，动态性能一般。第二类为三杯式风速传感器，其感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和风架组成，旋转器为多齿转杯和狭缝光耦，当风杯受风力作用而旋转时，通过轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率信号，但是这种装置具有移动部件，所以容易磨损，而且体积大，需要经常维护，且只适用于测量较大的风速，不适用于小空间流场测量。第三类为超声波风速传感器，根据测量原理的不同，目前对气体流速的测量主要采用以下几种方法：时差法、多普勒法、涡街风速测量法、相关法和波束偏移法等，这些方法测量精度较高，但超声波在传播的过程中速度会受到温度的影响，因此在应用超声波多普勒方法进行测量时，必须进行温度补偿，以提高***的准确性，此外，如果超声波工作在有噪声环境中，其信号会被噪声淹没，不利于进行测量，且仪器价格昂贵，测量成本相对较高。

在实用新型专利《便携式风向风速仪》（授权公告号为CN202196076U）中也提出了一种便携式风向风速测量装置，通过风速感应元件和风向感应元件分别带动风速码盘和风向格雷码盘在光耦中转动，产生脉冲信号，并经过处理后在显示单元中显示，该装置体积小巧，质量轻，但是测量部件不能够拆卸，在保存的过程中容易损坏且不易维护和更换。

发明内容

本实用新型针对背景技术中所述的目前测量风速的装置，在测量方法的准确度及测量装置便捷性方面存在的问题，提出了一种便携式风速测量装置。

其技术方案是，一种便携式风速测量装置，其特征在于，所述装置包括风速信号测量模块、风速信号放大模块、风速信号处理模块和风速信号显示模块；所述风速信号处理模块包括单片机和A/D转换器；

其中，所述风速信号测量模块、风速信号放大模块、A/D转换器、单片机、风速信号处理模块和风速信号显示模块顺次连接。

所述风速信号测量模块置于流动空气中；所述风速信号测量模块包括风速传感器、风向轴和风向标；所述风速传感器包括电阻应变片和弹性元件；所述风速传感器与所述风向轴和风向标连为一体；所述风向标与风向轴通过紧固螺丝固定。

所述风速信号显示模块包括显示屏。

所述装置还包括底座、盒体和按键开关；所述风速信号放大模块、风速信号显示模块、单片机和A/D转换器安装于盒体内部；所述按键开关和显示屏安装在盒体前端；所述底座安装与盒体顶端，并与风向轴下端相连。

所述风向标为可拆卸型风向标；所述风向标包括平衡锤、螺纹，螺孔和尾翼；所述风向标通过螺孔与风向轴进行连接，平衡锤采用螺纹式，通过螺纹与尾翼连接。

本实用新型的有益效果为：测量装置的风向标部分设计为可拆卸型，不仅携带方便，而且易于维护和更换。同时，本实用新型可以同时实现风速信号的测量、存储和显示功能，与现有的技术相比，克服了现有技术对于温度和噪声信号要求高、价格昂贵、测量结果不精确、携带不便等问题，满足野外或供电不足的风速测量场合。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种便携式风速测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种便携式风速测量装置的外观图；

图3是本实用新型提供的一种便携式风速测量装置的风向标结构图；

图4是本实用新型实施例提供的第一电路结构原理图；

图5是本实用新型实施例提供的的第二电路结构原理图；

其中，1-风速传感器；2-风向轴；3-平衡锤；4-紧固螺丝；5-底座；6-显示屏；7-按键开关；8-风向标；9-电阻应变片；10-弹性元件；11-螺纹；12-螺孔；13-尾翼。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

图1是本实用新型提供的一种便携式风速测量装置的结构示意图。图1中，所述装置包括风速信号测量模块、风速信号放大模块、风速信号处理模块和风速信号显示模块；所述风速信号处理模块包括单片机和A/D转换器；其中，所述风速信号测量模块、风速信号放大模块、A/D转换器、单片机、风速信号处理模块和风速信号显示模块顺次连接。所述风速信号测量模块用于对风速信号进行测量；所述的风速信号放大模块用于对风速信号进行放大和滤波；所述的风速信号处理模块用于对风速信号进行分析处理；所述风速信号显示模块用于对风速信号进行实时的显示。

图2是本实用新型提供的一种便携式风速测量装置的外观图。图2中，一种便携式风速测量装置包括：风速传感器、风向轴、平衡锤、紧固螺丝、底座、显示屏、按键开关、风向标、电阻应变片和弹性元件。其中，风速信号测量模块由电阻应变片和弹性元件构成，它与风向轴和风向标三者连为一体，风向标设计为可拆卸型，测量时需用紧固螺丝进行固定，风向轴下端与底座相连，底座安装在装有显示屏和按键开关以及信号处理模块电路的盒子顶端。

当有风吹过时，测量装置1随着风向轴旋转并总与风向相垂直，这样由于受到风的阻力从而使得弹性元件发生形变，利用电阻应变计测出这种形变量并最终通过惠斯登电桥将风速信息以电压的形式表现出来。

将测量出上述电压值在风速信号处理模块中进行分析处理，风速信号处理模块由放大器、A/D转换器和单片机构成，首先，在风速信号放大模块部分，放大电路将风速测量模块输出的微小电压值进行放大和滤波，进而提取出与风速有关的电信号，再将经过放大的电压信号输入A/D转换器中进行数字化处理，并将转换结果输入至单片机中，单片机根据A/D转换的结果选取所需放大倍数的电压信号，并将其转换为风速信号发送出去并在显示器上进行实时的显示。

图3是本实用新型提供的一种便携式风速测量装置的风向标结构图，图3中，可拆卸风向标的结构包括平衡锤、螺纹，螺孔和尾翼。风向标通过螺孔与风向轴进行连接，平衡锤设计为螺纹式，这样可以通过螺纹与尾翼部分连接和分离。安装时，首先将风向标尾翼部分与风向轴连接，然后再安装平衡锤部分，拆除时，则需要先将平衡锤部分卸下，然后再拆除尾翼部分。

图4和图5是本实用新型提供的整个测量装置的电路原理图。整个电路均采用直流5V电压进行供电，因此需要将7.5V的直流电池通过三端稳压集成电路LM7805进行转换，直流电源U_AC的正极连接第一应变电阻R11、第一电阻R13和第一预调平衡电阻R_P的公共节点，负极连接第二应变电阻R12、第二电阻R14和第一预调平衡电阻R_P的公共节点，输出电压U₀的一端连接第一应变电阻R11、第二应变电阻R12、以及第二预调平衡电阻R_t的公共节点，另一端连接第一电阻和第二电阻的公共节点。信号测量模块利用电阻应变测量技术将风速信号转换为第一应变电阻R11和第二应变电阻R12的阻值变化，并采用惠斯登电桥将应变电阻的电阻变化值转化为可以测量的电压变化值。

放大器U11的1号引脚连接至信号测量模块的Ui1端，放大器U11的2号引脚连接至电位器R21的2号引脚，放大器U11的3号引脚连接至电位器R21的1号引脚（电位器的3号引脚悬空，在此处省略）；放大器U11的4号引脚连接至信号测量模块的Ui2端；放大器U11的6号引脚接基准电压源U21的6号引脚与电容C05的公共节点；放大器U11的7号引脚接电阻R4和电容C08的公共节点；放大器U11的8号引脚接5V直流电源、电容C01和电容C02的公共节点；基准稳压源U21的2号引脚接5V直流电源、电容C03和电容C04的公共节点。

ATmega128单片机的48号引脚与LED指示灯、电阻R3和GND地电位依次串联连接，ATmega128单片机的10号引脚至17号引脚分别连接LCD1602液晶显示模块的DB0引脚至DB7引脚，ATmega128单片机的54号引脚连接JTAG接口的4号引脚，ATmega128单片机的55号引脚连接JTAG接口的3号引脚，ATmega128单片机的56号引脚连接JTAG接口的2号引脚，ATmega128单片机的57号引脚连接JTAG接口的1号引脚，ATmega128单片机的52号引脚连接JTAG接口的6号引脚和直流电源VCC的公共节点，ATmega128单片机的64号引脚连接电容C09、电感H1和ATmega128单片机的62号引脚的公共节点，ATmega128单片机的63号引脚连接JTAG接口的5号引脚；

ATmega128单片机的51号引脚连接第一信号按键开关K1，ATmega128单片机的50号引脚连接第一信号按键开关K2，ATmega128单片机的49号引脚连接第一信号按键开关K3，ATmega128单片机的32号引脚连接LCD1602液晶显示模块的RS引脚，ATmega128单片机的33号引脚连接LCD1602液晶显示模块的R/W引脚，ATmega128单片机的32号引脚连接LCD1602液晶显示模块的E引脚，ATmega128单片机的23号引脚连接OSC晶振的3号引脚；LCD1602液晶显示模块的VO引脚连接滑动变阻器Rg的右端和中间节点；

为避免噪声干扰，将数字地电位GND通过磁珠R5与模拟地电位AGND进行连接。

数字地电位GND分别连接7.5V直流电池的负极、LM7805的引脚2、电容C06、电容C07、电阻R3、按键开关K1、K2、K3，单片机ATmega128的引脚22、单片机ATmega128的引脚63、晶振的引脚2以及液晶显示模块LCD1602的所有GND引脚。

模拟地电位AGND分别连接应变电阻R12、电阻R14、放大器U11的引脚5、电容C01、电容C02、电容C03、电容C04、电容C05、基准电压源U21的引脚4、电容C08、电容C09。

电源模块主要由7.5V电池、三端稳压集成电路LM7805、电容C06、电容C07构成；风速信号测量模块主要由应变电阻R11、应变电阻R12、电阻R13、电阻R14、预调平衡电阻R_t和R_P构成；风速信号放大模块主要由放大器U11、基准电压源U21、电位器R21、电容C01、电容C02、电容C03、电容C04、电容C05构成；风速信号处理模块由单片机ATmega128、晶振、JTAG接口、LED1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感H1、电容C08、电容C09、按键开关K1、K2、K3构成；风速信号显示模块由液晶显示器LCD1602、电位器Rg构成。

令，电容C06的电容值为0.1μF；电容C07的电容值为0.33μF；应变电阻R11的阻值为350Ω；应变电阻R12的阻值为350Ω；电阻R13的阻值为350Ω；电阻R14的阻值为350Ω；预调平衡电阻R_P为10KΩ；预调平衡电阻R_t为10KΩ；电位器R21要根据需要来进行调整；电容C01的电容值为0.1μF；电容C02的电容值为10μF；电容C03的电容值为10μF；电容C04的电容值为0.1μF；电容C05的电容值为0.1μF；电阻R3的阻值为1KΩ；电阻R4的阻值为4.7KΩ;电容C08的电容值为100pF；电容C09的电容值为100pF；电感H1的值为10μH。

其中，基准电压源ADR421可以将5V的供电电压转换为2.5V输出，在风速信号处理模块部分，它连接至放大器AD8221的REF引脚，可保证经放大后的输出电压值为正。电容C03和电容C04为输入电容，可以改善电路瞬态响应和降低电源噪声，电容C05为输出电容，用来滤除任何低电平噪声电压，保证电路的正常工作。经放大后的输出电压值连接ATmega128单片机中的ADC0端口（61号引脚），因为ATmega128单片机中自带A/D转换器，因此可以直接将输入模拟电压信号转换为其自身可以识别的数字信号，A/D转换采用十位逐次比较型A/D转换，将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量，并将转换结果输入至单片机的存储器RAM中进行存储，当存储的数字信号的数量达到了预定的阙值，单片机会将存储器中的信号予以清除并开始存储新的数据。其中，ADC的参考电压源(VREF)反映了ADC的转换范围，VREF可以是AVCC(64号引脚)、内部2.56V基准或外接于AREF引脚（62号引脚）的电压（在这里选择AVCC），AVCC通过一个无源开关与ADC相连，基准电压通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地噪声抑制。OSC晶振为单片机的外部晶振，在本实施例中所选用的晶振频率为11.0592MHZ，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率。JTAG接口为单片机下载仿真器接口，通过它可以将程序写入单片机中。最后，将经过单片机处理的信号以ASCII码的形式输入至LCD1602液晶显示模块中进行显示，由于该装置所有元器件的供电电压均为5V，因此在图示中通过在三端稳压集成电路LM7805外部加入两个电容值分别为0.10μF和0.33μF的电容即可将7.4V的直流电源进行转换。此外，Led指示灯与单片机的输入输出端口48相连，用来判断单片机是否正常工作。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种便携式风速测量装置，其特征在于，所述装置包括风速信号测量模块、风速信号放大模块、风速信号处理模块和风速信号显示模块；所述风速信号处理模块包括单片机和A/D转换器；

其中，所述风速信号测量模块、风速信号放大模块、A/D转换器、单片机和风速信号显示模块顺次连接；

2.根据权利要求1所述的一种便携式风速测量装置，其特征在于，所述风速信号显示模块包括显示屏。

3.根据权利要求2所述的一种便携式风速测量装置，其特征在于，所述装置还包括底座、盒体和按键开关；所述风速信号放大模块、风速信号显示模块、单片机和A/D转换器安装于盒体内部；所述按键开关和显示屏安装在盒体前端；所述底座安装与盒体顶端，并与风向轴下端相连。

4.根据权利要求1所述的一种便携式风速测量装置，其特征在于，所述风向标为可拆卸型风向标；所述风向标包括平衡锤、螺纹，螺孔和尾翼；所述风向标通过螺孔与风向轴进行连接，平衡锤采用螺纹式，通过螺纹与尾翼连接。