基于Arduino的風向風速信號轉換器設計

伍立坤 尹珊珊 黃文秋

1. 孝感市氣象局 湖北 孝感 432100；2. 大悟縣氣象局 湖北 孝感 432800

引言

孝感市氣象局現有區域自動氣象站108個，相關風向風速傳感器分別為中環天儀（天津）氣象儀器有限公司生產的EL15型風向風速傳感器和江蘇省無線電科學研究所有限公司生產的ZQZ-TF型風向風速傳感器，兩個型號的風傳感器因傳輸信號不同不能通用。在區域自動氣象站故障時，如出現對應備件不足，則無法及時恢復站點數據。

本文通過分析EL15型和ZQZ-TF型風傳感器工作原理，利用Arduino UNO作為主控器，設計一款風向風速信號轉換器，轉換上述兩個型號風向風速傳感器的輸出信號。實現在出現區域自動氣象站風向風速或采集器故障時，如對應備件不足，可使用其他廠家設備應急處理設備故障。

1 風向風速傳感器原理分析

1.1 EL15-1C型和ZQZ-TF型風速傳感器原理

EL15-1C型和ZQZ-TF型風速傳感器工作原理相同，均為在水平風力的作用下，三杯式回轉架旋轉，通過主軸帶動磁棒盤旋轉，其上的 36 個磁體形成 18 個小磁場，風杯組每旋轉一圈，在霍爾開關電路中感應出18個脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加[1]。

EL15-1C型風速輸出方程：V=0.2315+0.0495F

ZQZ-TF型風速輸出方程：V=0.1F

V：風速，單位：m/s

F：脈沖頻率，單位：Hz

1.2 EL15-2E型風向傳感器原理

EL15-2E型風向傳感器的感應元件為風向標組件。角度變換電路為電位器變換方式。電位器總阻值為 5KΩ。電位器的軸與主軸連接在一起，當風向標組件轉動時，電位器輸出的電阻被轉換成連續變化的電壓（0-2.5V）,且隨風向角度的增加而線性增大，輸出電壓0-2.5V對應于風向 0-360 °。

1.3 ZQZ-TF型風向傳感器原理

ZQZ-TF型風向傳感器利用一個低慣性的風向標部件作為感應元件，風向標部件隨風旋轉，帶動轉軸下端的風向碼盤，每轉動2.8125°，位于光電器件支架上下兩邊的七位光電轉化電路就輸出一組新的七位并行格雷碼，128個格雷碼對應風向0～360°。

2 信號轉換器整體架構

利用Arduino UNO開發板作為主控器，將各傳感器輸出信號接入對應數字輸入或模擬輸入引腳，讀取各傳感器輸出信號。經轉化后，通過數字輸出或PWM輸出引腳，將處理后的信號輸出至區域自動氣象站采集器中，實現風向風速傳感器的互用[2]。

3 程序設計

3.1 EL15-1C型與ZQZ-TF型風速信號轉換

因EL15-1C型和ZQZ-TF型風速傳感器均根據風速線性輸出脈沖信號，僅風速輸出方程不同，利用Arduino UNO轉換頻率輸出即可實現信號轉換。

EL15-1C型轉換為ZQZ-TF型風速信號時，將EL15-1C型風速傳感器信號線接入Arduino數字輸入引腳，將區域自動氣象站采集器風速端口接入Arduino的PWM輸出引腳。利用pulseIn( )函數讀取數字輸入引腳風速脈沖寬度，并計算輸入脈沖頻率。通過兩個傳感器風速輸出方程，即可換算得出對應風速下ZQZTF型風速傳感器需輸出的脈沖頻率。利用tone( )函數在PWM輸出引腳上輸出轉換后的脈沖頻率，即可完成信號轉換。ZQZ-TF型轉換為EL15-1C型風速信號方式亦然。

3.2 EL15-2E型與ZQZ-TF型風向信號轉換

因EL15-2E型風向傳感器根據風向線性輸出0～2.5V模擬信號，而ZQZ-TF型風向傳感器根據風向通過7個端口輸出格雷碼對應的高低電平，分別輸出模擬、數據信號，利用Arduino UNO的I/O轉換功能即可實現信號轉換。

在EL15-2E型轉換為ZQZ-TF型風向信號時，將EL15-2E型風向傳感器信號線接入Arduino模擬輸入引腳，將區域自動氣象站采集器7個風向端口分別接入Arduino的7個數字輸出引腳。利用analogRead( )函數讀取模擬輸入引腳電壓的映射數值（0～2.5V對應0～512），映射數值除以4即是格雷碼對應的十進制值。將十進制轉換為7位格雷碼，利用 digitalWrite( )函數將7個數字輸出引腳分別輸出7位格雷碼對應的高低電平。即可完成信號轉換。

在ZQZ-TF型轉換為EL15-2E型風向信號時，將ZQZ-TF型風向傳感器7根信號線分別接入Arduino的7個數字輸入引腳，將區域自動氣象站采集器風向端口接入Arduino的PWM輸出引腳。利用digitalRead( )函數讀取7個數字輸入引腳的電平狀態，形成7位格雷碼數組，并將格雷碼轉換為十進制，即0～128。利用analogWrite( )函數輸入格雷碼十進制值，PWM輸出引腳即輸出對應的調制電壓（0～2.5V），即可完成信號轉換[3]。

4 結束語

本文通過分析兩種風向風速傳感器的原理，基于Arduino設計出一款風向風速信號轉換器，實現了兩種風向風速傳感器之間信號相互轉換的功能。為區域自動氣象站故障應急處理，提供一種新的處理方式。