基于STM32的EL15—2C風(fēng)向傳感器檢測儀設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹了一種使用STM32單片機(jī)作為微處理器設(shè)計(jì)的EL15-2C風(fēng)向傳感器檢測儀，該檢測儀可以通過快插方式連接風(fēng)向傳感器，無需設(shè)置只需固定方向旋轉(zhuǎn)風(fēng)向標(biāo)一周以上即可自動(dòng)判斷風(fēng)向傳感器故障情況，使用方便快捷，能夠作為地面氣象探測設(shè)備技術(shù)保障人員的輔助測試設(shè)備。

關(guān)鍵詞：檢測儀；EL15-2C風(fēng)向傳感器；STM32微處理器；格雷碼

中圖分類號(hào)：S16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430072

前言

在內(nèi)蒙古自治區(qū)，共有119個(gè)有人值守氣象觀測臺(tái)站，2000多個(gè)區(qū)域自動(dòng)站，其中有人值守臺(tái)站全部為雙套設(shè)備，這些設(shè)備中大部分都為華云升達(dá)產(chǎn)品，其風(fēng)向傳感器主要以EL15-2C為主。

由于EL15-2C風(fēng)向傳感器為7位格雷碼輸出方式，所以傳感器工作是否正常很難簡單的通過萬用表測試得知，而本文所述的檢測儀就是針對這種現(xiàn)狀，通過電子線路技術(shù)與氣象技術(shù)保障實(shí)際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合而設(shè)計(jì)[1]。

1 基本原理及優(yōu)勢

EL15-2C風(fēng)向傳感器檢測儀自帶鋰離子可充電電池，通過連接風(fēng)向傳感器航空插座，然后撥動(dòng)風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)一周以上，即可自動(dòng)進(jìn)行檢測分析，判斷傳感器工作是否正常，如果有缺項(xiàng)故障或無輸出故障，則會(huì)點(diǎn)亮對應(yīng)的報(bào)警指示燈進(jìn)行提示，否則正常指示燈亮起。該檢測儀小巧靈活，在進(jìn)行故障排除或者更換傳感器備件時(shí)進(jìn)行檢查，通過簡單的操作即可診斷傳感器運(yùn)行狀態(tài)，能夠大大縮小故障排除范圍，提高工作人員工作效率。

2 整體設(shè)計(jì)方案

檢測儀由硬件電路、外圍結(jié)構(gòu)以及固件程序構(gòu)成，采用直插方式與傳感器連接，插頭與機(jī)身集于一體能夠提高使用便捷性，內(nèi)部安裝有檢測電路板以及鋰電池，結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測儀面板共有“D0-D6”以及“OK”7個(gè)指示燈，當(dāng)檢測到風(fēng)向傳感器七位格雷碼某一項(xiàng)故障時(shí)，對應(yīng)的指示燈會(huì)亮起，如果傳感器無輸出或其他故障，則7個(gè)指示燈全部點(diǎn)亮；當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，“OK”指示燈點(diǎn)亮。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)向傳感器工作原理

EL15-2C風(fēng)向傳感器為7位格雷碼輸出方式，供電電壓為5V直流電壓，風(fēng)向值分辨率為2.8°，內(nèi)部具有格雷碼盤和七位光電傳感器，風(fēng)向標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)格雷碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成變化的7位格雷碼數(shù)據(jù)，供采集器檢測[2]。在風(fēng)向傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，7位輸出信號(hào)為不同脈寬和相位的脈沖信號(hào)，每一位的電壓在0V與5V間交替變換。

3.2 檢測儀硬件設(shè)計(jì)

檢測儀基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括充電電路以及內(nèi)置鋰電池模塊，充電電路采用市面常見的插口，使用通用5V電源適配器進(jìn)行充電；檢測電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)向傳感器7位格雷碼的信號(hào)處理與采集；STM32系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與故障分析，最終通過報(bào)警指示燈指示故障原因[3]。

由于風(fēng)向傳感器的工作電壓為5V，而檢測儀內(nèi)部電路工作電壓為3.3V，所以在進(jìn)行風(fēng)向信號(hào)采集時(shí)，首先需要將傳感器5V的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為3.3V，同時(shí)對信號(hào)進(jìn)行緩沖，提高驅(qū)動(dòng)能力。如圖3所示，檢測電路主要采用NXP的HEF4050BT六非反相緩沖器設(shè)計(jì)，該芯片具有高電流輸出功能，且其工作電壓為3～15V，接受超過電源電壓的輸入電壓，可將高達(dá)15V的邏輯電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，可進(jìn)行從高到低的邏輯電平轉(zhuǎn)換。

風(fēng)向傳感器信號(hào)經(jīng)緩沖器轉(zhuǎn)換后輸入到STM32 F103CBT6單片機(jī)的GPIO端口PA0-PA6，單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)固件程序進(jìn)行處理分析后，將診斷結(jié)果輸出到PB0-PB7端口，從而控制LED指示燈進(jìn)行正確的警示，圖3中僅畫出一路LED指示燈電路圖[4]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測儀固件程序使用C語言進(jìn)行編寫，程序流程如圖4所示，系統(tǒng)開機(jī)上電后首先進(jìn)行外設(shè)初始化，其次進(jìn)入檢測階段，實(shí)時(shí)讀取傳感器的格雷碼數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。檢測儀內(nèi)置3種算法，第1種算法通過記錄風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)一周以上每位信號(hào)線高低電平變化次數(shù)進(jìn)行判別；第2種算法將格雷碼數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行逐個(gè)比對，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)一周后完成檢測；第3種算法首先將格雷碼轉(zhuǎn)換為風(fēng)向值，旋轉(zhuǎn)一周后檢查風(fēng)向值的連續(xù)性，根據(jù)每一位信號(hào)線對風(fēng)向角度的影響區(qū)間不同來完成診斷。通過3種算法的綜合分析可判斷7位格雷碼某一位存在故障，或存在其他類型的故障。比如，檢測結(jié)果為D4缺項(xiàng)，則D4-LED指示燈會(huì)點(diǎn)亮；如果是其他類型故障，則D0-D6指示燈全部亮起；如果傳感器工作正常，則OK-LED指示燈點(diǎn)亮。

5 系統(tǒng)測試與結(jié)論

對研制的風(fēng)向傳感器檢測儀進(jìn)行試驗(yàn)，分別選取一個(gè)正常的傳感器與一個(gè)人為斷開一路信號(hào)的傳感器進(jìn)行檢測。正確連接EL15-2C傳感器后開機(jī)，此時(shí)檢測儀讀取到第一個(gè)數(shù)據(jù)，撥動(dòng)傳感器風(fēng)向標(biāo)，使其至少旋轉(zhuǎn)一周后，檢測儀讀取全部角度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析后能夠正確點(diǎn)亮指示燈顯示故障類型，表明該檢測儀能夠作為EL15-2C風(fēng)向傳感器的故障檢測裝置，使用簡單方便，診斷結(jié)果準(zhǔn)確，能夠作為地面探測設(shè)備技術(shù)保障人員的輔助檢測設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃增林，李崇福，張繼光，張敏.EL15-2C型風(fēng)向傳感器的結(jié)構(gòu)原理分析[J].電子世界，2015（15）：158-159.

[2] 楊濤，陳濤，鄭亮.EL15-2C型風(fēng)向傳感器現(xiàn)場故障分析方法研究[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（5）：469-472.

[3] 安學(xué)武，趙建凱，包偉智，李博.一種基于專家?guī)斓牡孛鏆庀筇綔y設(shè)備遠(yuǎn)程技術(shù)支持系統(tǒng)[J].內(nèi)蒙古氣象，2018（3）：40-43.

[4] 安學(xué)武，趙建凱，包偉智，李博.一種多通道溫濕度傳感器選通控制器的研制[J].內(nèi)蒙古氣象，2018（4）：46-48.