高精度風速檢測方法的研究與應用

樊昌元, 王財麗, 譚 杰, 周麒丞, 蘇德斌

(成都信息工程大學電子工程學院,四川 成都 610225)

0 引言

中國風速測量儀器最早出現是殷代的伣[1],經過了幾千年的更迭發展,1846年英國的T R Robinson 發明設計了風杯式風速計,其結構多采用三杯或四杯錐形杯的風杯架[2]。目前的風速傳感器主要有風壓式、熱力學式、超聲波式和傳統雙聯電位器式[3],常用的超聲波光電式傳感器利用風杯帶動裝有發光二極管的多齒光盤轉動,在光敏三極管上形成光脈沖信號,得到與風杯轉速成正比的離散脈沖信號,在風速測量時存在風杯與光耦電路和MCU 與電脈沖序列頻率測量之間的兩大誤差,影響風速測量精度[4-5]。

本文提出一種新型的全角度單電位器作為三杯式風速計的風速傳感器,采集全角度單電位器上連續的模擬量,設計高精度風速檢測算法,加工的電位器碳膜電阻線性度良好情況下,用于風速檢測,通過連續的模擬信號輸出,彌補光電式傳感器離散脈沖信號的帶來的測量誤差,提高了風速檢測精度。

1 全角度電位器設計及風速測量算法

1.1 全角度電位器結構及原理

在風速測量時,電位器上電阻的改變引起電壓的變化,可以實現角度檢測,但傳統的電位器存在測量盲區,電器角度不能達到360°。本文設計了一種全角度單電位器,電器角度可以到達360°,解決了傳統電位器的測量盲區問題[6-7],通過高精度風速測量算法,有效提高風速測量精度。

全角度單電位器在碳膜片內設有兩個獨立的內碳膜圈和外碳膜圈,內碳膜圈和外碳膜圈半徑不一樣,電阻也不一樣。碳膜片用導線將其首尾相連,余下兩端作為電位器兩個連接端；設計一個滑動接觸片分內外接觸頭,分別與內碳膜圈和外碳膜圈滑動相接,可無限圈旋轉,滑片導線引出為電位器的中心抽頭端；電位器內外碳膜圈電器角度錯位,確保滑動接觸片內外接觸頭旋轉到任何位置至少有一個接觸頭接觸到碳膜圈。

如圖1 所示,兩導電膜4 個端分別為外碳膜圈跳線端(A)、外碳膜圈電極引出端(B)和內碳膜圈電極引出端(C)、內碳膜圈跳線端(D),AD 兩端通過跳線相連,兩跳線端的錯位角度為電器角度相位差θ,最大為180°。給電位器加一個恒流源,恒流源從B 端流入,經第一個導電膜電流流到A 端,再經過第二個導電膜流到C 端,C 端接地。

圖1 俯視等效原理圖

全角度無限旋轉單電位器頂蓋剖開部分后其結構如圖2 所示,其中1-底座、2-頂蓋,3-轉軸,4-電極片,5-內碳膜圈電極片,6-內碳膜圈。

圖2 頂蓋剖掉部分后示意圖

1.2 角度測量原理

當風杯旋轉時,會帶動與風杯旋轉主軸連接的電極片旋轉,使電極片分別作用于內外碳膜圈,通過研究電位器的電壓與碳膜電阻之間的關系來反映電位器的旋轉角度,其對應關系如圖3 所示。

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圖3 電壓與角度關系圖

電極片作用在內外碳膜圈旋轉時,當電位器中心抽頭上的電壓為0≤VC≤IR1,此時的角度滿足:

其中Vc為電極片的電壓,α為電位器旋轉角度,I為恒流源電流,R1內碳膜圈的電阻、R2為外碳膜圈的電阻,γ1為內碳膜圈開口對應的機械角度、γ2為外碳膜圈開口應對的機械角度,θ為內碳膜圈跳線端D 與外碳膜圈跳線端A 的錯位角度,其取值范圍要求滿足γ1＜θ≤仔和γ2＜θ≤仔。圖3 中VS、VL、VM為

注意:在風速測量時,需要判斷瞬時電壓Vc是否經過2仔-γ和2仔兩個拐點,通過特定的數據處理進行數據質量控制。

1.3 拐點判斷及數據處理

在電位器的測量過程中,在拐點處會發生如圖3 所示的電壓變化,需要判斷瞬時電壓Vc是否經過2仔-γ和2仔兩個拐點,電壓在拐點處變化的特征隨著全角度電位器經過拐點的方向的變化而變化,主要分為4種情況,具體的判斷流程如圖4 所示。

圖4 拐點判斷及數據處理

拐點判斷主要分為4 種情況:

(1)滑動觸頭順時針經過內圈D 點。前4 個值連續增加(或相鄰值相等)接近且小于或等于VS,第5 個值接近且小于或等于VL,處理辦法:第5 個值用VS替換。

(2)滑動觸頭逆時針經過內圈D 點。前4 個值連續增加(或相鄰值相等)并接近且小于或等于VL,第5個值接近或等于VS,處理辦法:第5 個值用VL替換；

(3)滑動觸頭順時針經過內圈C 點。前4 個值連續減小(或相鄰值相等)并接近大于或等于VM,第5 個值接近或等于0,處理辦法:第5 個值用VM替換；

(4)滑動觸頭逆時針經過內圈C 點。前4 個值連續減小(或相鄰值相等)并接近或等于0,第5 個值接近且大于或等于VM,處理辦法:第5 個值用0 替換；

1.4 高精度風速檢測算法

本文設計高精度風速算法,考慮到電路收到類u及、閃電、和強磁場干擾,在風速算法中,設計AD 參考電壓3.3 V,對應電壓約10 mV,取10 mV作為標準,在相鄰兩個數據相差超過10 mV時判斷存在外界干擾.。風速算法設計流程如圖5 所示。

圖5 風速算法流程圖

其中在插值表給出的數據中,將相鄰兩點間的風速看成線性增加,得到角速度值集合{ωb1,ωb2,…,ωb14,ωbn}。首先判斷ωN值,當ωN等于{ωb1,ωb2,…,ωb14,ωbn}中的某個值時,令VN=Vbn。否則,ωN將落在{ωb1,ωb2,…,ωb14,ωbn}中的兩個數之間,即ωbn＜ωN＜ωbn-1,此時的瞬時風速Vn為

得到瞬時風速集合{V1,V2,…,VN}。

平均風速為

2 系統硬件設計與實現

2.1 系統的工作原理及框圖

本文在傳統三杯式風速測儀的基礎上進行改良,將常用的光電脈沖式傳感元件改用新型全角度單電位器,將風速測量轉換為全角度單電位器的角度測量,并用STM32C6T6 的片內AD 采集后經過風速算法得到風速信息,通過藍牙模塊向手機端傳輸及在OLED 模塊顯示當前風速信息[7-11]。系統原理框圖如圖6 所示,主要包含全角度電位器,恒流源、STM32 和藍牙模塊。

圖6 系統原理框圖

2.2 風速轉換電路設計

風速轉換電路由全角度單電位器、恒流源電路、電壓跟隨器3 部分組成。整體思路是將恒流源與全角度單電位器連接,將電位器抽頭與電壓跟隨器連接以供后續單片機進行數據采集[11-14]。恒流源模塊為其提恒定電流保證全角度電位器的正常工作,選取具有良好的共模抑制比(CMRR)的OPA2365 作為恒流源模塊的運放。

流程圖如圖7 所示,采集電位器電壓信息時,設計電壓跟隨電路作為全角度單電位器及AD 采集的中間級,以“隔離”前后級之間的影響,起緩沖、隔離前后級阻抗匹配、提高帶載能力的作用。

圖7 系統程序流程圖

3 系統軟件設計

軟件設計采用STM32F103C6T6 自帶的A/D 對全角度電位器的電壓信號進行采集,在中斷函數中完成數據采集、模數轉換、對數據處理進行風速算法編寫,最后通過OLED 顯示檢測到的風速信息。

4 系統測試

為測試全角度電位器在風速測量中的應用能力,基于STM32 作為核心MCU,設計上述風速檢測裝置,測試結果如圖8 所示,當天風速較低,風速值趨于平穩,該風速檢測裝置能精確地檢測到風速的微小變化,系統測試效果較好。

圖8 系統測試結果圖

本風速測量系統可實現采集、傳輸、呈現一體化、系統各項功能正常。

5 結束語

提出并設計了一種新型全角度電位器和高精度風速檢測算法,全角度單電位器采用內外碳膜圈碳膜結構設計,可以解決傳統電位器存在測量角度盲區的問題,不存在測量死角,提高了測量精度。基于全角度電位器設計了風速檢測裝置,該裝置依然選用三杯式風速傳感器,通過電位器單位時間的角度變化,計算出三杯式風速傳感器角速度,再計算出風速,相較于常用的光電脈沖式傳感器將離散的信號轉換成連續的模擬信號輸出,經系統測試,風速測量效果較好,經過數據質量控制,系統抗干擾能力強,風速測量精度高。