一種自動控制升降橫臂的風桿裝置設計

摘"要：本文設計了一種利用步進電機技術的自動控制升降橫臂的風桿裝置。該裝置設計采用單片機作為核心處理器，根據風桿的高度與電機轉動一圈的周長計算步進電機轉動圈數，按照步進電機每步的角度進行控制即可實現電機啟動后的自動停止。步進電機提供橫臂升降的動力，同時添加手動模式，當電機故障導致風桿無法上升或下降時，可利用人力操作手動讓風桿完成升降。本文所述裝置安全系數高，便于現場使用，降低操作風險，避免多人協作以及人工攀爬方式，可以提高自動氣象站完成風向風速傳感器換檢以及維修效率，對基層氣象保障能力的提升具有重要意義。

關鍵詞：步進電機技術；單片機；自動控制技術

中圖分類號：P414.6""文獻標識碼：A

風向風速是地面觀測中必不可少的觀測要素，所有的國家級自動氣象站和大部分省級區域自動氣象站都開展風向風速的測量［1］。目前，吉林省氣象部門使用風桿或風塔搭載風向風速傳感器的方式，氣象自動觀測站現用的風桿或風塔高10米，上接接閃器，總高共計11.5米左右［2］，在設備日常維護或定期檢修時，需要多人協作才能將風桿放倒，風塔需要采用人工攀爬的方式，這就對工作人員及觀測場尺寸有較高的要求。為此有必要探索一種利用自動控制升降橫臂的風桿裝置，利于風向風速傳感器的日常維護，便于現場使用，降低操作風險。

1"系統總體設計方案

自動控制升降橫臂的風桿裝置作為機電一體化設備，采用模塊化設計方案。以單片機為主控芯片，配有自動控制單元、升降牽引單元、磁吸固定單元等部分。通過單元間的協同配合，實現控制搭載風向風速傳感器橫臂的自動升降，同時添加手動模式，當電機故障導致風桿無法上升或下降時，可利用人力操作手動讓風桿完成升降［3］。

2nbsp;硬件設計

升降風桿的硬件設計結構示意圖如圖1所示。自動控制升降橫臂的風桿裝置包括主體桿架（1）、電源模塊（2）、自動控制單元（3）、手動操作桿（4）、升降牽引單元（5）、磁吸固定單元（6）。

如圖2所示，本設計中的主體桿架（1）包括桿架體（11）、固定橫臂（12）、接閃器（13）、下引線（14）、接地體（15）。接閃器（13）、下引線（14）、接地體（15）組成防雷系統，避免傳感器遭直擊雷；電源模塊（2）分別為電機、磁吸固定單元和單片機供電；自動控制單元（3）包括單片機、電機、卷軸、電機開關、鏈條、撥片。電機與卷軸之間用鏈條相連，且帶有撥片裝置，剝離撥片即可實現電機與卷軸脫離。手動操作桿（4）與卷軸相連接，剝離撥片后可人工搖動控制移動橫臂升降。

如圖3所示，升降牽引單元（5）包括移動橫臂（51）、傳感器底座（52）、滑輪（53）、數據線（54）、鋼絲（55）。傳感器底座（52）焊接在移動橫臂（51）上；數據線（54）與傳感器底座（52）固定相連，用于風向風速傳感器數據傳輸。

如圖4所示，磁吸固定單元（6）包括上磁鐵（61）、下磁鐵（62）、磁吸開關（63）。上磁鐵（61）與固定橫臂（12）固連，下磁鐵（62）與移動橫臂（51）固連。靜止狀態時，上磁鐵（61）與下磁鐵（62）相吸引，以固定移動橫臂（51）防止擺動與脫落。磁吸開關（63）通過自動控制單元（3）控制下磁鐵（62）的通電狀態，進而控制上磁鐵（61）和下磁鐵（62）的吸放，進而控制移動橫臂（51）在豎直方向的升降［4］。

當操作者按下電機開關時，電機通電，觸發單片機接收到下降信號，下降信號控制電機轉動收線，釋放移動橫臂，啟動電機，電機同時驅動牽引兩排滑輪和卷軸的傳動，使鋼絲及數據線收緊，帶動移動橫臂下降，收緊至底部或故障報警時自動停止。當操作完成后，關閉電機開關，觸發單片機接收到上升信號，步進電機反向轉動放線，等待移動橫臂上升至原位。當操作者按下磁吸開關時，觸發單片機斷開下磁鐵的通電狀態，關閉即恢復通電。

3"軟件設計

本設計以單片機為核心控制各個模塊的啟動和停止，采用大功率MOS驅動電機，同時單片機通過串口接收控制信號，包括轉速大小、步數、開機停機信號、電機旋轉方向等，實現實時通信。

3.1"開發環境

可采用現在最流行的單片機集成開發環境Keil"uVision3，把源程序編輯、編譯、調試、下載、運行等操作全部集中在一個環境下進行，包括設定電機的預置步數、運行方式、轉速等［56］。可根據風桿的高度與電機轉動一圈的周長計算步進電機轉動圈數，單片機按照步進電機每步的角度進行控制，即可實現電機啟動后的自動停止。

3.2"控制電機的思路

利用封裝函數控制單個電機正轉、反轉，并且能夠配速，電機的轉速與脈沖頻率成正比，電機轉過的角度與脈沖數成正比。因此，控制脈沖數和脈沖頻率就可以精確調速。步進電機的轉速與頻率的關系如下：

W=f×60360°T×x

式中，W：轉速；f：頻率；x：驅動器細分倍數；T：電機步距角。

3.3"程序設計

對STM32F103C8T6單片機驅動通用42步進電機（步距角1.8°，相數為2，轉子齒數50，雙拍制）的程序進行設計和調試。以下展示部分程序：

4"實驗結果

但由于時間與經費的原因，實物尚未開始制作，未來將進一步實施。

結語

本文利用步進電機設計一種自動控制升降橫臂的風桿裝置，用軟件達到了對步進電機的精確控制。裝置設計全面便捷，安全系數高，便于現場使用，降低操作風險，可以提高自動氣象站完成風向風速傳感器換檢以及維修效率，對基層氣象保障能力的提升具有重要意義。

參考文獻：

［1］劉昕，邊澤強，李松奎.自動氣象站風向風速儀現場校準方法研究［J］.計量與測試技術，2015，42（08）：78+10.

［2］趙宇亮.一種自動升降風桿：CN2104"65726U［P］.20200505.

［3］劉樹峰，蘇軼，張寧，等.移動氣象臺的常見問題分析［J］.山東氣象，2010，30（04）：4648.

［4］黃輝，李清雙.一種磁吸升降組件：CN212534326U［P］.20210212.

［5］衡蜓.基于C8051F040單片機的步進電機驅動控制系統設計［D］.太原：太原科技大學，2011.

［6］劉春桐，何禎鑫，黃先祥，等.基于C8051F120單片機的混合式步進電機驅動系統設計［J］.現代科學儀器，2013（03）：7275.

作者簡介：趙丹陽（1996—"），女，漢族，吉林長春人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：儀器計量檢定。