基于Arduino的風(fēng)向風(fēng)速信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計

伍立坤 尹珊珊 黃文秋

1. 孝感市氣象局 湖北 孝感 432100；2. 大悟縣氣象局 湖北 孝感 432800

引言

孝感市氣象局現(xiàn)有區(qū)域自動氣象站108個，相關(guān)風(fēng)向風(fēng)速傳感器分別為中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司生產(chǎn)的EL15型風(fēng)向風(fēng)速傳感器和江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)的ZQZ-TF型風(fēng)向風(fēng)速傳感器，兩個型號的風(fēng)傳感器因傳輸信號不同不能通用。在區(qū)域自動氣象站故障時，如出現(xiàn)對應(yīng)備件不足，則無法及時恢復(fù)站點數(shù)據(jù)。

本文通過分析EL15型和ZQZ-TF型風(fēng)傳感器工作原理，利用Arduino UNO作為主控器，設(shè)計一款風(fēng)向風(fēng)速信號轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換上述兩個型號風(fēng)向風(fēng)速傳感器的輸出信號。實現(xiàn)在出現(xiàn)區(qū)域自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速或采集器故障時，如對應(yīng)備件不足，可使用其他廠家設(shè)備應(yīng)急處理設(shè)備故障。

1 風(fēng)向風(fēng)速傳感器原理分析

1.1 EL15-1C型和ZQZ-TF型風(fēng)速傳感器原理

EL15-1C型和ZQZ-TF型風(fēng)速傳感器工作原理相同，均為在水平風(fēng)力的作用下，三杯式回轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的 36 個磁體形成 18 個小磁場，風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)一圈，在霍爾開關(guān)電路中感應(yīng)出18個脈沖信號，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加[1]。

EL15-1C型風(fēng)速輸出方程：V=0.2315+0.0495F

ZQZ-TF型風(fēng)速輸出方程：V=0.1F

V：風(fēng)速，單位：m/s

F：脈沖頻率，單位：Hz

1.2 EL15-2E型風(fēng)向傳感器原理

EL15-2E型風(fēng)向傳感器的感應(yīng)元件為風(fēng)向標組件。角度變換電路為電位器變換方式。電位器總阻值為 5KΩ。電位器的軸與主軸連接在一起，當風(fēng)向標組件轉(zhuǎn)動時，電位器輸出的電阻被轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電壓（0-2.5V）,且隨風(fēng)向角度的增加而線性增大，輸出電壓0-2.5V對應(yīng)于風(fēng)向 0-360 °。

1.3 ZQZ-TF型風(fēng)向傳感器原理

ZQZ-TF型風(fēng)向傳感器利用一個低慣性的風(fēng)向標部件作為感應(yīng)元件，風(fēng)向標部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)軸下端的風(fēng)向碼盤，每轉(zhuǎn)動2.8125°，位于光電器件支架上下兩邊的七位光電轉(zhuǎn)化電路就輸出一組新的七位并行格雷碼，128個格雷碼對應(yīng)風(fēng)向0～360°。

2 信號轉(zhuǎn)換器整體架構(gòu)

利用Arduino UNO開發(fā)板作為主控器，將各傳感器輸出信號接入對應(yīng)數(shù)字輸入或模擬輸入引腳，讀取各傳感器輸出信號。經(jīng)轉(zhuǎn)化后，通過數(shù)字輸出或PWM輸出引腳，將處理后的信號輸出至區(qū)域自動氣象站采集器中，實現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速傳感器的互用[2]。

3 程序設(shè)計

3.1 EL15-1C型與ZQZ-TF型風(fēng)速信號轉(zhuǎn)換

因EL15-1C型和ZQZ-TF型風(fēng)速傳感器均根據(jù)風(fēng)速線性輸出脈沖信號，僅風(fēng)速輸出方程不同，利用Arduino UNO轉(zhuǎn)換頻率輸出即可實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

EL15-1C型轉(zhuǎn)換為ZQZ-TF型風(fēng)速信號時，將EL15-1C型風(fēng)速傳感器信號線接入Arduino數(shù)字輸入引腳，將區(qū)域自動氣象站采集器風(fēng)速端口接入Arduino的PWM輸出引腳。利用pulseIn( )函數(shù)讀取數(shù)字輸入引腳風(fēng)速脈沖寬度，并計算輸入脈沖頻率。通過兩個傳感器風(fēng)速輸出方程，即可換算得出對應(yīng)風(fēng)速下ZQZTF型風(fēng)速傳感器需輸出的脈沖頻率。利用tone( )函數(shù)在PWM輸出引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的脈沖頻率，即可完成信號轉(zhuǎn)換。ZQZ-TF型轉(zhuǎn)換為EL15-1C型風(fēng)速信號方式亦然。

3.2 EL15-2E型與ZQZ-TF型風(fēng)向信號轉(zhuǎn)換

因EL15-2E型風(fēng)向傳感器根據(jù)風(fēng)向線性輸出0～2.5V模擬信號，而ZQZ-TF型風(fēng)向傳感器根據(jù)風(fēng)向通過7個端口輸出格雷碼對應(yīng)的高低電平，分別輸出模擬、數(shù)據(jù)信號，利用Arduino UNO的I/O轉(zhuǎn)換功能即可實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

在EL15-2E型轉(zhuǎn)換為ZQZ-TF型風(fēng)向信號時，將EL15-2E型風(fēng)向傳感器信號線接入Arduino模擬輸入引腳，將區(qū)域自動氣象站采集器7個風(fēng)向端口分別接入Arduino的7個數(shù)字輸出引腳。利用analogRead( )函數(shù)讀取模擬輸入引腳電壓的映射數(shù)值（0～2.5V對應(yīng)0～512），映射數(shù)值除以4即是格雷碼對應(yīng)的十進制值。將十進制轉(zhuǎn)換為7位格雷碼，利用 digitalWrite( )函數(shù)將7個數(shù)字輸出引腳分別輸出7位格雷碼對應(yīng)的高低電平。即可完成信號轉(zhuǎn)換。

在ZQZ-TF型轉(zhuǎn)換為EL15-2E型風(fēng)向信號時，將ZQZ-TF型風(fēng)向傳感器7根信號線分別接入Arduino的7個數(shù)字輸入引腳，將區(qū)域自動氣象站采集器風(fēng)向端口接入Arduino的PWM輸出引腳。利用digitalRead( )函數(shù)讀取7個數(shù)字輸入引腳的電平狀態(tài)，形成7位格雷碼數(shù)組，并將格雷碼轉(zhuǎn)換為十進制，即0～128。利用analogWrite( )函數(shù)輸入格雷碼十進制值，PWM輸出引腳即輸出對應(yīng)的調(diào)制電壓（0～2.5V），即可完成信號轉(zhuǎn)換[3]。

4 結(jié)束語

本文通過分析兩種風(fēng)向風(fēng)速傳感器的原理，基于Arduino設(shè)計出一款風(fēng)向風(fēng)速信號轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了兩種風(fēng)向風(fēng)速傳感器之間信號相互轉(zhuǎn)換的功能。為區(qū)域自動氣象站故障應(yīng)急處理，提供一種新的處理方式。