高精度風(fēng)速檢測(cè)方法的研究與應(yīng)用

樊昌元, 王財(cái)麗, 譚 杰, 周麒丞, 蘇德斌

(成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,四川 成都 610225)

0 引言

中國(guó)風(fēng)速測(cè)量?jī)x器最早出現(xiàn)是殷代的伣[1],經(jīng)過(guò)了幾千年的更迭發(fā)展,1846年英國(guó)的T R Robinson 發(fā)明設(shè)計(jì)了風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì),其結(jié)構(gòu)多采用三杯或四杯錐形杯的風(fēng)杯架[2]。目前的風(fēng)速傳感器主要有風(fēng)壓式、熱力學(xué)式、超聲波式和傳統(tǒng)雙聯(lián)電位器式[3],常用的超聲波光電式傳感器利用風(fēng)杯帶動(dòng)裝有發(fā)光二極管的多齒光盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),在光敏三極管上形成光脈沖信號(hào),得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的離散脈沖信號(hào),在風(fēng)速測(cè)量時(shí)存在風(fēng)杯與光耦電路和MCU 與電脈沖序列頻率測(cè)量之間的兩大誤差,影響風(fēng)速測(cè)量精度[4-5]。

本文提出一種新型的全角度單電位器作為三杯式風(fēng)速計(jì)的風(fēng)速傳感器,采集全角度單電位器上連續(xù)的模擬量,設(shè)計(jì)高精度風(fēng)速檢測(cè)算法,加工的電位器碳膜電阻線性度良好情況下,用于風(fēng)速檢測(cè),通過(guò)連續(xù)的模擬信號(hào)輸出,彌補(bǔ)光電式傳感器離散脈沖信號(hào)的帶來(lái)的測(cè)量誤差,提高了風(fēng)速檢測(cè)精度。

1 全角度電位器設(shè)計(jì)及風(fēng)速測(cè)量算法

1.1 全角度電位器結(jié)構(gòu)及原理

在風(fēng)速測(cè)量時(shí),電位器上電阻的改變引起電壓的變化,可以實(shí)現(xiàn)角度檢測(cè),但傳統(tǒng)的電位器存在測(cè)量盲區(qū),電器角度不能達(dá)到360°。本文設(shè)計(jì)了一種全角度單電位器,電器角度可以到達(dá)360°,解決了傳統(tǒng)電位器的測(cè)量盲區(qū)問(wèn)題[6-7],通過(guò)高精度風(fēng)速測(cè)量算法,有效提高風(fēng)速測(cè)量精度。

全角度單電位器在碳膜片內(nèi)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)碳膜圈和外碳膜圈,內(nèi)碳膜圈和外碳膜圈半徑不一樣,電阻也不一樣。碳膜片用導(dǎo)線將其首尾相連,余下兩端作為電位器兩個(gè)連接端；設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)接觸片分內(nèi)外接觸頭,分別與內(nèi)碳膜圈和外碳膜圈滑動(dòng)相接,可無(wú)限圈旋轉(zhuǎn),滑片導(dǎo)線引出為電位器的中心抽頭端；電位器內(nèi)外碳膜圈電器角度錯(cuò)位,確?；瑒?dòng)接觸片內(nèi)外接觸頭旋轉(zhuǎn)到任何位置至少有一個(gè)接觸頭接觸到碳膜圈。

如圖1 所示,兩導(dǎo)電膜4 個(gè)端分別為外碳膜圈跳線端(A)、外碳膜圈電極引出端(B)和內(nèi)碳膜圈電極引出端(C)、內(nèi)碳膜圈跳線端(D),AD 兩端通過(guò)跳線相連,兩跳線端的錯(cuò)位角度為電器角度相位差θ,最大為180°。給電位器加一個(gè)恒流源,恒流源從B 端流入,經(jīng)第一個(gè)導(dǎo)電膜電流流到A 端,再經(jīng)過(guò)第二個(gè)導(dǎo)電膜流到C 端,C 端接地。

圖1 俯視等效原理圖

全角度無(wú)限旋轉(zhuǎn)單電位器頂蓋剖開(kāi)部分后其結(jié)構(gòu)如圖2 所示,其中1-底座、2-頂蓋,3-轉(zhuǎn)軸,4-電極片,5-內(nèi)碳膜圈電極片,6-內(nèi)碳膜圈。

圖2 頂蓋剖掉部分后示意圖

1.2 角度測(cè)量原理

當(dāng)風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)帶動(dòng)與風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)主軸連接的電極片旋轉(zhuǎn),使電極片分別作用于內(nèi)外碳膜圈,通過(guò)研究電位器的電壓與碳膜電阻之間的關(guān)系來(lái)反映電位器的旋轉(zhuǎn)角度,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3 所示。

隨著新課改的深入，高中教學(xué)需加強(qiáng)發(fā)揮高中生的主動(dòng)性，讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，為以往高中化學(xué)教學(xué)注入新鮮血液.但在大量傳統(tǒng)因素限制下，高中化學(xué)教學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性改革，依舊繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，欠缺整體性與系統(tǒng)性，同生活與生產(chǎn)相違背，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳.

圖3 電壓與角度關(guān)系圖

電極片作用在內(nèi)外碳膜圈旋轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)電位器中心抽頭上的電壓為0≤VC≤IR1,此時(shí)的角度滿(mǎn)足:

其中Vc為電極片的電壓,α為電位器旋轉(zhuǎn)角度,I為恒流源電流,R1內(nèi)碳膜圈的電阻、R2為外碳膜圈的電阻,γ1為內(nèi)碳膜圈開(kāi)口對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度、γ2為外碳膜圈開(kāi)口應(yīng)對(duì)的機(jī)械角度,θ為內(nèi)碳膜圈跳線端D 與外碳膜圈跳線端A 的錯(cuò)位角度,其取值范圍要求滿(mǎn)足γ1＜θ≤仔和γ2＜θ≤仔。圖3 中VS、VL、VM為

注意:在風(fēng)速測(cè)量時(shí),需要判斷瞬時(shí)電壓Vc是否經(jīng)過(guò)2仔-γ和2仔兩個(gè)拐點(diǎn),通過(guò)特定的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

1.3 拐點(diǎn)判斷及數(shù)據(jù)處理

在電位器的測(cè)量過(guò)程中,在拐點(diǎn)處會(huì)發(fā)生如圖3 所示的電壓變化,需要判斷瞬時(shí)電壓Vc是否經(jīng)過(guò)2仔-γ和2仔兩個(gè)拐點(diǎn),電壓在拐點(diǎn)處變化的特征隨著全角度電位器經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)的方向的變化而變化,主要分為4種情況,具體的判斷流程如圖4 所示。

圖4 拐點(diǎn)判斷及數(shù)據(jù)處理

拐點(diǎn)判斷主要分為4 種情況:

(1)滑動(dòng)觸頭順時(shí)針經(jīng)過(guò)內(nèi)圈D 點(diǎn)。前4 個(gè)值連續(xù)增加(或相鄰值相等)接近且小于或等于VS,第5 個(gè)值接近且小于或等于VL,處理辦法:第5 個(gè)值用VS替換。

(2)滑動(dòng)觸頭逆時(shí)針經(jīng)過(guò)內(nèi)圈D 點(diǎn)。前4 個(gè)值連續(xù)增加(或相鄰值相等)并接近且小于或等于VL,第5個(gè)值接近或等于VS,處理辦法:第5 個(gè)值用VL替換；

(3)滑動(dòng)觸頭順時(shí)針經(jīng)過(guò)內(nèi)圈C 點(diǎn)。前4 個(gè)值連續(xù)減小(或相鄰值相等)并接近大于或等于VM,第5 個(gè)值接近或等于0,處理辦法:第5 個(gè)值用VM替換；

(4)滑動(dòng)觸頭逆時(shí)針經(jīng)過(guò)內(nèi)圈C 點(diǎn)。前4 個(gè)值連續(xù)減小(或相鄰值相等)并接近或等于0,第5 個(gè)值接近且大于或等于VM,處理辦法:第5 個(gè)值用0 替換；

1.4 高精度風(fēng)速檢測(cè)算法

本文設(shè)計(jì)高精度風(fēng)速算法,考慮到電路收到類(lèi)u及、閃電、和強(qiáng)磁場(chǎng)干擾,在風(fēng)速算法中,設(shè)計(jì)AD 參考電壓3.3 V,對(duì)應(yīng)電壓約10 mV,取10 mV作為標(biāo)準(zhǔn),在相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)相差超過(guò)10 mV時(shí)判斷存在外界干擾.。風(fēng)速算法設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 風(fēng)速算法流程圖

其中在插值表給出的數(shù)據(jù)中,將相鄰兩點(diǎn)間的風(fēng)速看成線性增加,得到角速度值集合{ωb1,ωb2,…,ωb14,ωbn}。首先判斷ωN值,當(dāng)ωN等于{ωb1,ωb2,…,ωb14,ωbn}中的某個(gè)值時(shí),令VN=Vbn。否則,ωN將落在{ωb1,ωb2,…,ωb14,ωbn}中的兩個(gè)數(shù)之間,即ωbn＜ωN＜ωbn-1,此時(shí)的瞬時(shí)風(fēng)速Vn為

得到瞬時(shí)風(fēng)速集合{V1,V2,…,VN}。

平均風(fēng)速為

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的工作原理及框圖

本文在傳統(tǒng)三杯式風(fēng)速測(cè)儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良,將常用的光電脈沖式傳感元件改用新型全角度單電位器,將風(fēng)速測(cè)量轉(zhuǎn)換為全角度單電位器的角度測(cè)量,并用STM32C6T6 的片內(nèi)AD 采集后經(jīng)過(guò)風(fēng)速算法得到風(fēng)速信息,通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)端傳輸及在OLED 模塊顯示當(dāng)前風(fēng)速信息[7-11]。系統(tǒng)原理框圖如圖6 所示,主要包含全角度電位器,恒流源、STM32 和藍(lán)牙模塊。

圖6 系統(tǒng)原理框圖

2.2 風(fēng)速轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

風(fēng)速轉(zhuǎn)換電路由全角度單電位器、恒流源電路、電壓跟隨器3 部分組成。整體思路是將恒流源與全角度單電位器連接,將電位器抽頭與電壓跟隨器連接以供后續(xù)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[11-14]。恒流源模塊為其提恒定電流保證全角度電位器的正常工作,選取具有良好的共模抑制比(CMRR)的OPA2365 作為恒流源模塊的運(yùn)放。

流程圖如圖7 所示,采集電位器電壓信息時(shí),設(shè)計(jì)電壓跟隨電路作為全角度單電位器及AD 采集的中間級(jí),以“隔離”前后級(jí)之間的影響,起緩沖、隔離前后級(jí)阻抗匹配、提高帶載能力的作用。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用STM32F103C6T6 自帶的A/D 對(duì)全角度電位器的電壓信號(hào)進(jìn)行采集,在中斷函數(shù)中完成數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行風(fēng)速算法編寫(xiě),最后通過(guò)OLED 顯示檢測(cè)到的風(fēng)速信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試全角度電位器在風(fēng)速測(cè)量中的應(yīng)用能力,基于STM32 作為核心MCU,設(shè)計(jì)上述風(fēng)速檢測(cè)裝置,測(cè)試結(jié)果如圖8 所示,當(dāng)天風(fēng)速較低,風(fēng)速值趨于平穩(wěn),該風(fēng)速檢測(cè)裝置能精確地檢測(cè)到風(fēng)速的微小變化,系統(tǒng)測(cè)試效果較好。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

本風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采集、傳輸、呈現(xiàn)一體化、系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出并設(shè)計(jì)了一種新型全角度電位器和高精度風(fēng)速檢測(cè)算法,全角度單電位器采用內(nèi)外碳膜圈碳膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以解決傳統(tǒng)電位器存在測(cè)量角度盲區(qū)的問(wèn)題,不存在測(cè)量死角,提高了測(cè)量精度。基于全角度電位器設(shè)計(jì)了風(fēng)速檢測(cè)裝置,該裝置依然選用三杯式風(fēng)速傳感器,通過(guò)電位器單位時(shí)間的角度變化,計(jì)算出三杯式風(fēng)速傳感器角速度,再計(jì)算出風(fēng)速,相較于常用的光電脈沖式傳感器將離散的信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬信號(hào)輸出,經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試,風(fēng)速測(cè)量效果較好,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),風(fēng)速測(cè)量精度高。