基于DSP的气象仪中风向测量的设计

　　0　引　言

　　在激光大气传输特性研究过程中,水平气流的来向(即风向)因改变了大气的状态而影响到了激光在大气的传输[1],因此通常在大气试验中都要测量风向。其他大气参数(如温度、气压、风速和湿度等)也反映了大气的状态,在大气实验中需要测量,因此能够测量多个大气参数的小型气象仪就在大气实验中有着非常重要的作用。除此之外,在风力发电、气象服务、海洋作业等行业中风向测量都有重大意义,气象仪也得到了广泛应用。

　　1　风向测量原理和系统组成框图

　　在基于DSP的小型气象仪中,风向测量系统主要由风向传感器、信号调理电路,DSP系统和电源模块组成,如图1所示。

　　风向是一个比较典型的非电量,在进行电测量的过程中需要采用风向传感器把风向的表征参数———角度转换成与之一一对应的电量。采用的风向传感器不同,电量的形式不同,为了能让DSP系统接收到该电量,设计了信号调理电路,可以对传感器输出的信号进行放大、I/V变换、滤波、电平转换等处理。传感器的输出信号经信号调理电路之后进入DSP系统。DSP系统由DSP芯片,DSP外围复位电路、振荡电路、复位电路、LCD显示电路和串行通信口等硬件电路和软件组成,主要的作用有A/D转换,数据处理,结果显示以及与上位机进行串行通信。电源模块为风向传感器、信号调理电路和DSP系统提供稳定的直流电压。

　　2　光电编码器式风向传感器工作原理及传感器选型

　　2.1　光电编码器式风向传感器工作原理

　　在非电量的电测技术中,有多种方法可以实现风向测量,典型的有电位器测量法、编码器测量法、热式风速传感器[2-3]和超声波测量法[4]。本文设计了基于光电编码器的风向测量系统。

　　编码器是一种光电式传感器,根据码盘的刻划不同可以分为增量式和绝对式光电编码器。绝对式光电编码器因其读数误差小而得到广泛应用。图2给出了绝对式光电编码器的工作原理框图。光源发出的光线经过柱面镜后变成一束平行光照射到光学码盘上,光学码盘上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列着的若干透光和不透光部分,光束穿过透光部分到达狭缝,通过狭缝后形成一束很窄的光束照射到光电检测器件上,光电检测输出电信号。在光电编码器中,码盘上的每一码道都有一个与之对应的光电检测器件,光学码盘每旋转一个角度,穿过码盘的光束是不同的,那么光电检测器件的输出也就不同,可以实现把角位移转换成数字量输出。

　　2.2　风向传感器选型

　　本设计选用了型号为FC-1的编码器风向传感器。该风向传感器的感应元件为一个单板风标,由它驱动主轴带动光学码盘旋转,让发光二极管发出的光透过或不透过不同码道,采用光敏三极管接收透过码盘的光束,输出7位格雷码。FC-1型风向传感器的测量范围为0°~360°;分辨率为2.8125°;精度为±3°。由于FC-1的输出为CMOS电平的格雷码,因此可直接与DSP相连。