基于ATmega2560的高精度海洋風(fēng)速測量裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 欣，趙繼超，張春華，李少朗

(1.國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，北海 536000；2.天津科技大學(xué)，電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

0 引言

受能源消耗持續(xù)攀升和傳統(tǒng)能源日趨緊缺的影響，探尋與發(fā)展新能源已經(jīng)成為非常重要的課題。海洋風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，它的有效開發(fā)利用可以為改善中國的能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和應(yīng)對(duì)氣候變化提供重要幫助[1-3]。

風(fēng)速計(jì)是測量空氣流速的儀器。最常用的是風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)，它的感應(yīng)部分一般由3個(gè)或4個(gè)半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120°的三叉型或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著同一方向排列，整個(gè)橫臂架則固定在1根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上，在風(fēng)力的作用下，風(fēng)杯繞軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)杯轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比。

風(fēng)速風(fēng)向檢測在環(huán)保氣象、工業(yè)設(shè)備、采礦安全和衛(wèi)生保健等諸多領(lǐng)域都具有十分重要的意義。隨著國家風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展、檢測技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)環(huán)境要求的提高，人們對(duì)檢測儀器測量準(zhǔn)確度和功能的要求越來越高。

目前海洋風(fēng)能需要工作人員坐船出海遠(yuǎn)距離、定點(diǎn)并長時(shí)間測量才能測出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，工作強(qiáng)度較大，且對(duì)工作人員的人身安全造成了影響[4，5]。

1 海洋風(fēng)速測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋風(fēng)速測量裝置的浮臺(tái)為圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)，浮臺(tái)的頂部固定有測速箱，測速箱內(nèi)設(shè)有蓄電池和記錄儀，測速箱的頂部固定連接有固定桿，固定桿的頂部轉(zhuǎn)動(dòng)套接有轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)筒的頂部安裝有轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器與記錄儀通過導(dǎo)線電連接，記錄儀與蓄電池電連接，轉(zhuǎn)筒的側(cè)面均勻連接有3個(gè)連接臂，且3個(gè)連接臂之間的夾角為120°，連接臂的端部通過緊固螺栓固定連接有風(fēng)杯，浮臺(tái)的表面邊緣安裝有太陽能電板，太陽能電板與蓄電池通過導(dǎo)線電連接，浮臺(tái)的底部固定安裝有十字形底座，十字形底座的底部中央連接有錨繩，錨繩的底部連接有錨鉤，該裝置能持續(xù)供電，并在固定區(qū)域內(nèi)測量風(fēng)速，安全可靠(圖1)。

1—浮臺(tái)；2—測速箱；3—固定桿；4—轉(zhuǎn)筒；5—轉(zhuǎn)速傳感器；6—連接臂；7—風(fēng)杯；8—太陽能電板；9—十字形底座；10—錨繩；11—錨鉤

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

主控芯片選擇ATmega2560，ATmega2560是一款高性能、低功耗的基于Microchip 8位AVR RISC的微控制器，結(jié)合了256 KB ISP閃存、8 KB SRAM、4 KB EEPROM、86個(gè)通用I/O線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器、6個(gè)靈活定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(具有比較模式)、PWM、4個(gè)USART、面向字節(jié)的2線串行接口、16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器和用于芯片調(diào)試的JTAG接口。該器件在16 MHz時(shí)可達(dá)到16 MIPS的吞吐量，工作電壓為4.5～5.5 V。

電源穩(wěn)壓電路部分分別選擇LM1117-3.3、LM1117-5.0和LM1117-12線性穩(wěn)壓芯片。其外圍電路簡單，固定電壓版本只需輸入輸出兩個(gè)電容和負(fù)載即可工作。圖2為芯片電路圖。

圖2 LM1117電路圖

LM1117系列是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出1 A電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2 V。除上述3種固定電壓版本外，還可提供可調(diào)端輸出版本，且芯片封裝完全一致，便于后期升級(jí)調(diào)整。該版本能提供的輸出電壓范圍為1.25～13.8 V。LM1117可提供完善的過流保護(hù)和過熱保護(hù)功能，確保了芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用先進(jìn)的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源準(zhǔn)確度在1%的范圍內(nèi)[6，7]。

1.3 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序采用C語言編譯，編程環(huán)境為Arduino IDE。C語言簡單易學(xué)，功能強(qiáng)大，并且運(yùn)算速度極快，可以滿足實(shí)時(shí)測量準(zhǔn)確度的需求。C語言是一種面向過程的計(jì)算機(jī)編程語言，不同于Java、C ++和其他面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。

C語言可處理低級(jí)內(nèi)存，只生成少量的機(jī)器代碼并運(yùn)行而不需要任何運(yùn)行環(huán)境的支持。在描述問題，減少工作量，提高可讀性，易于調(diào)試，修改和移植方面，C語言比匯編語言更快，代碼質(zhì)量與匯編語言相當(dāng)。C語言通常只比匯編語言代碼生成的目標(biāo)程序效率低10%～20%。

2 風(fēng)速風(fēng)向儀

2.1 傳感器型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

文章設(shè)計(jì)的裝置采用的傳感器為上海晶奕測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一體型風(fēng)速風(fēng)向測量傳感器，型號(hào)為CP-WDS2V101。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 一體式傳感器技術(shù)指標(biāo)

2.2 傳感器主要性能指標(biāo)

1)供電電壓：6～28 V；

2)輸出方式：RS-485；

3)環(huán)境溫度：-40～50 ℃；

4)環(huán)境濕度：5%RH～100%RH；

5)傳輸速度：9600 bit/s；

6)防水能力：IP65。

風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器雖然是兩種完全獨(dú)立的傳感器，但大多數(shù)情況下，這兩種傳感器是整合在同一測量設(shè)備中的，通過綜合處理數(shù)據(jù)信息，共同發(fā)揮作用。因此該裝置采用風(fēng)速風(fēng)向一體式傳感器進(jìn)行測量。

一體式傳感器采用RS-485通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可更換為具有同等傳輸協(xié)議的其他型號(hào)傳感器。

2.3 測量原理

該裝置采用三杯式風(fēng)速計(jì)的測風(fēng)元件—風(fēng)杯，它由3個(gè)互成120°固定在支架上的拋物錐形空杯組成感應(yīng)部分，空杯的凹面都順向一個(gè)方向，整個(gè)感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上，風(fēng)杯的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)速計(jì)的線性影響很大。

風(fēng)的主要參數(shù)是大小和方向。在穩(wěn)定的風(fēng)力作用下，風(fēng)杯受到扭力矩的作用開始旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力大則轉(zhuǎn)速快，儀器內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器將風(fēng)杯轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。當(dāng)外界風(fēng)速恒定時(shí)，風(fēng)速計(jì)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該為某個(gè)具體固定的數(shù)值，并且該數(shù)值和風(fēng)速呈線性關(guān)系。風(fēng)速計(jì)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的關(guān)系式如下：

(1)

(2)

D=2πR2ρAbm

(3)

式中，n為風(fēng)速計(jì)轉(zhuǎn)速；N為風(fēng)速計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)扭力矩系數(shù)；u為風(fēng)速；B0為風(fēng)速計(jì)的靜摩擦力矩；B1為風(fēng)速計(jì)的動(dòng)摩擦力矩系數(shù)；Du為空氣阻力矩系數(shù)；D為阻力矩系數(shù)；am、bm為風(fēng)速計(jì)常數(shù)；R為風(fēng)速計(jì)風(fēng)杯的回轉(zhuǎn)半徑；ρ為空氣密度；A為風(fēng)速計(jì)風(fēng)杯的切口面積。

最簡單且常見的風(fēng)向測量裝置是風(fēng)向標(biāo)，也叫風(fēng)向傳感器，其指向的角度由儀器內(nèi)的角度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

裝置在進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)，同步采用其他型號(hào)的無線室內(nèi)外風(fēng)向風(fēng)速測量儀進(jìn)行測試，將其測量結(jié)果進(jìn)行記錄，作為橫向?qū)Ρ取?/p>

測量結(jié)果如表2所示。其中，測量時(shí)間為2020年03月，表中截取的是03月09—19日間隔為1 d的測量數(shù)據(jù)；A裝置為文章設(shè)計(jì)的測量裝置，B裝置為選取的其他型號(hào)的測量儀；兩裝置測量時(shí)放置在同一水平位置，間隔距離小于3 m。

表2 風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

分析表中數(shù)據(jù)可得，文章設(shè)計(jì)的測量裝置在準(zhǔn)確度方面與其他型號(hào)測量儀相差不大，且測量結(jié)果主要受到海洋自身流動(dòng)的影響。后期增加了測量儀的配重，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速測量誤差有所降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了海洋自身流動(dòng)對(duì)儀器測量結(jié)果有影響的猜想。

4 結(jié)束語

文章參考了Arduino官方設(shè)計(jì)文檔，Arduino控制板采用了開放源代碼的電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以有經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的模塊，并且可以對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展或改進(jìn)。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶，也可以通過制作試驗(yàn)板來理解Arduino的工作過程。該裝置的程序設(shè)計(jì)為通過串口通信的RXD和TXD引腳，讀取風(fēng)速風(fēng)向傳感器傳輸回來的風(fēng)速風(fēng)向值，再通過單片機(jī)運(yùn)算，將處理后的數(shù)據(jù)保存到裝置自帶的存儲(chǔ)裝置中，最后通過電腦端的測定軟件進(jìn)行顯示。

該裝置可以放置在海洋中持續(xù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量，且不需要人工干預(yù)和人工等候，增加了便利的同時(shí)，進(jìn)一步確保了工程測量人員的個(gè)人安全，有望進(jìn)行進(jìn)一步推廣。