一种基于双频计的风速采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及气象事业中的风速测量技术领域，特别涉及一种基于双频计的风速采集器。
【背景技术】
[0002]风在天气预报中有着重要的作用，常作为良好的预报指标而被广泛应用。目前，广泛应用于气象传感器数字化网络化系统中的风速采集器，对测量出的风速数据的精度和分辨率有较高要求，而且由于应用于气象服务，风速采集器一般安装在户外，要求传输距离远，传输失真度小。
[0003]通常，风场所使用的风速传感器为三杯式光电型风速传感器，其工作原理是:当风杯转动时，会带动安置于光电耦合器的发光二极管和光电三极管之间的多齿截光盘转动，发光二极管发射的光束被齿盘上的齿度切割，就会使下面的光敏三极管有时接收到上面发光二极管发射的光线而导通，有时接收不到上面发光二极管照射来的光线而截止，这样，光电三极管产生脉冲输出，每个齿遮住光束的时间表现为低电平，光束通过两齿盘间隙之间的时间表现为高电平。转动轴转动一圈，多次切割光束而输出一高一低的脉冲信号，风速传感器输出的均是频率与风速成正比的脉冲信号(信号频率小于IkHz)，测出信号频率就可得到风速。频率测量的精度直接影响风速测量的精度。
[0004]在传统风速测量方案中(包括测周期法和测频法)，测量较低频率时通常采取测周法，测量较高频率时采用测频法，测频法或者测周期法在其对应的测量频段有着较高的精度，但是它们都没有很好地消除掉基准信号的± I个数字误差，而且两种测频方法都难以兼顾整个频段，无法实现整个频段的等精度、高精度测量。如果输入信号频率的动态范围较大，为了保证其测量精度，就需要频繁地人工切换测频和测周方式。这两种方式的显示单位又不同，给观察频率的连续变化带来极大的不便。总之，传统测量法有很大的局限性，测量精度也不高。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供了一种基于双频计的风速采集器，将双频计测量运用到风采集测量系统中，实现同频段内等精度测量，提高风速测量的精度。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:
[0007]—种基于双频计的风速采集器，风速传感器、信号转换单元、分频处理单元、数据选择单元、中心控制处理单元依次连接，还连接有为本采集器提供电力支持的电源;所述风速采集器用于将获取的风速信号转换为电信号，所述信号转换单元、分频处理单元和数据选择单元用于对电信号进行处理并输入至中心控制处理单元，所述中心控制处理单元控制待测电信号的计数、译码、分频比，其内部定时器/计数器测量被测电信号的周期/频率，计算得到风速风向数据。
[0008]根据上述方案，还设置有显示器，所述显示器连接到中心控制处理单元，用于显示计算得到的风速风向数据。
[0009]根据上述方案，所述中心控制处理单元还与RS485串口芯片、RS232/RS485转换电路以及PC机依次相连。
[00?0] 根据上述方案，所述中心控制处理单元的型号为AT89C51。
[0011]根据上述方案，所述显示器的型号为IXD1602。
[0012]根据上述方案，所述RS485串口芯片的型号为MAX485。
[0013]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:采集器中增加了信号处理电路，在输入电信号波形被放大后进行了修正、滤波以及去除杂质等处理，提高了电信号的信噪比，得到更高的测量精度;使用双频计测得的信号频率精度优于传统测量法，实现整个测频区内的等精度测量。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型一种基于双频计的风速采集器结构示意图。
[0015]图2是本实用新型一种基于双频计的风速采集器工作原理图。
【具体实施方式】
[0016]本实用新型设计的基于双频计的风速采集器能够适应不同量程范围内的频率测量，巧妙地通过消除测频过程中产生的±1个数字误差，实现测量精度与被测信号无关，从而使整个测量频段测得的精度都相等。
[0017]如图1所示，一种基于双频计的风速采集器，包括电源、风速传感器、信号转换单元、分频处理单元、数据选择单元、中心控制处理单元、RS485串口芯片以及RS232/RS485转换电路等。风速传感器、信号转换单元、分频处理单元、数据选择单元、中心控制处理单元依次连接，以及还连接有为本采集器提供电力支持的电源。
[0018]电源为整个采集器提供合适的稳压电源，主要为中心控制处理单元、信号转换单元以及分频处理单元提供电源，电压要求稳定、噪声小。输入的电信号无论是何种波形，在运行的电路中，因为电路设计的不完善，器件的完美性以及各种外界的影响，都会让信号的波形出现小幅度的变化，在采集器中设置输入信号处理的部分(即信号转换单元、分频处理单元、数据选择单元)，在输入信号波形被放大后，进行修正、滤波以及去除杂质等处理，提高信号的信噪比，提高测量精度。
[0019]风速传感器将获取的风速信号转换为电信号，中心控制处理单元对频率脉冲信号处理时，采用双频计测频方法，将风速传感器采集到的信号经过信号处理发送到双频计测频电路输入端，测频电路通过对风速脉冲信号的频率测量进而测得风速。由于风速传感器输出的脉冲信号(频率为0-1221HZ，高电平大于14V，低电平小于IV)，不能直接输入中心控制处理单元，需要在输入端接共射级放大电路，对小信号进行放大处理，以此将电压幅值调整到中心控制处理单元允许的电压范围之内。由于共射级放大电路的最大输出电压不超过电源电压，经共射级放大电路放大后，信号变为中心控制处理单元允许输入电压范围，再将此信号接到施密特触发器74HC14进行整形滤波，转换为幅值固定的方波脉冲信号A。此信号接入分频处理单元，考虑到中心控制处理单元使用外部计数，时钟为12MHz时，最大计数速率为500kHz，因此需要进行外部分频，可以采用74HC4017进行外部分频，分频后的信号经过数据选择单元后进入中心控制处理单元。
[0020]中心控制处理单元选择型号为AT89C51的单片机，完成对待测信号的计数、译码、显示以及分频比的控制，利用其内部定时器/计数器完成被测信号的周期/频率的测量。其中双频计测频原理图如图2所示，其测量过程是:双频计测量频率使用两个计数器TdPT1，分别对参考时钟信号fc和被测信号fx同步计数。首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数;然后预置闸门关闭信号(下降沿到时)，计数器并不立刻停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。为了保证闸门开启时间与被测信号是同步，加入了等精度时间门控信号，用来控制闸门的实际开启时间Tg，从而使实际闸门信号的开启和关闭总能够和被测信号脉冲计数器保持同步。由于双频计测频法的闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此排除了对被测信号计数所产生的±1个计数误差，达到在整个测试频段的等精度测量。
[0021]在相同的闸门开启时间Tg内，对被测信号(频率为fx)进行计数，记为Nx，同时对时钟信号(频率为fc)进行计数，记为Ne。计算结果得:Nx = Tgfx，Nc = Tgfc，fx = Nxfc/Nc，因此，误差公式为:e= Δ fx/fx= Δ Νχ/Νχ— Δ Nc/Nc+ Δ fc/fc，式中前两项分别表示计数器To和计数器!^的误差，第三项为频率准确度。由于实际闸门开启时间与被测信号是同步的，SPTg为被测信号周期的整数倍，因此Nx测量中不存在± I误差，即ΛΝχ/Νχ = 0，而计数器T0对时标的计数，由于门控Tg的启闭时刻的随机性及Tg与Tc之比Ne为非整数(Tc为时标周期)，故存在± I误差。当忽略频率准确度误差时，最大误差为:e = 土 Δ Nc/Nc = 土 1/Tgf c，此误差公式说明频率测量的相对误差与被测信号的频率无关，其大小主要取决于闸门时间和标准信号频率，当合理选择闸门时间和标准信号频率，既可保证测量精度，又可提高测量速度。闸门时间越长，时标频率越高，分辨率越高。
[0022]经中心控制处理单元数据处理后，将得到的风速风向数据通过液晶显示出来，液晶显示芯片LCD1602是一款用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，其显著优势是功耗低、体积小、显示内容丰富和超薄轻巧等。PC机中的调试软件通过RS485串口芯片对中心控制处理单元进行调试，由于PC机默认的只有RS232接口，本采集器通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号电平转换成RS485电平信号，实现PC机通过RS485接口与单片机的数据交互。本实用新型中采用的中心控制处理单元是型号为AT89C51的单片机，RS485串口芯片型号为MAX485，显示器型号为IXD1602。
【主权项】
1.一种基于双频计的风速采集器，其特征在于，风速传感器、信号转换单元、分频处理单元、数据选择单元、中心控制处理单元依次连接，还连接有为本采集器提供电力支持的电源;所述风速采集器用于将获取的风速信号转换为电信号，所述信号转换单元、分频处理单元和数据选择单元用于对电信号进行处理并输入至中心控制处理单元，所述中心控制处理单元控制待测电信号的计数、译码、分频比，其内部定时器/计数器测量被测电信号的周期/频率，计算得到风速风向数据。2.如权利要求1所述的一种基于双频计的风速采集器，其特征在于，还设置有显示器，所述显示器连接到中心控制处理单元，用于显示计算得到的风速风向数据。3.如权利要求1所述的一种基于双频计的风速采集器，其特征在于，所述中心控制处理单元还与RS485串口芯片、RS232/RS485转换电路以及PC机依次相连。4.如权利要求1至3任一项所述的一种基于双频计的风速采集器，其特征在于，所述中心控制处理单元的型号为AT89C51。5.如权利要求2所述的一种基于双频计的风速采集器，其特征在于，所述显示器的型号为LCD1602。6.如权利要求3所述的一种基于双频计的风速采集器，其特征在于，所述RS485串口芯片的型号为MAX485。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于双频计的风速采集器，风速传感器、信号转换单元、分频处理单元、数据选择单元、中心控制处理单元依次连接，还连接有为本采集器提供电力支持的电源；所述风速采集器用于将获取的风速信号转换为电信号，所述信号转换单元、分频处理单元和数据选择单元用于对电信号进行处理并输入至中心控制处理单元，所述中心控制处理单元控制待测电信号的计数、译码、分频比，其内部定时器/计数器测量被测电信号的周期/频率，计算得到风速风向数据。本实用新型将双频计测量运用到风采集测量系统中，实现了同频段内等精度测量，提高了风速测量的精度。
【IPC分类】G01P5/00
【公开号】CN205333671
【申请号】CN201620079561
【发明人】樊昌元, 杨那, 李代伟, 于德先, 邓小波, 丁晗
【申请人】成都信息工程大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年1月26日