簡易風(fēng)速風(fēng)向儀

劉鑫坤 劉天辰 沈傳鑫 李一南 杜麗娟

摘要：隨著航模、無人機(jī)這類新科技的普及以及社會(huì)各種場合對(duì)于其的需求和運(yùn)用，考慮到這類器械在使用時(shí)對(duì)于風(fēng)向風(fēng)速有著特殊需求，我研究小組擬通過學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、編程、實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測量計(jì)算等方法為需要風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的群體提供相關(guān)儀器。

關(guān)鍵詞：風(fēng)向風(fēng)速;實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測量計(jì)算;儀器

一、緒論

（一）研究現(xiàn)狀與趨勢

傳統(tǒng)大氣風(fēng)速的測量，常采用風(fēng)杯式或者風(fēng)葉式風(fēng)速儀。但是這些技術(shù)較為傳統(tǒng)的儀器很難實(shí)現(xiàn)多功能自動(dòng)綜合檢測，如溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等。這里指出此種風(fēng)速風(fēng)向儀存在的缺點(diǎn)是體積大，旋轉(zhuǎn)部件長期會(huì)造成磨損。另一種就是超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，存在的缺點(diǎn)就是成本高，技術(shù)復(fù)雜，國內(nèi)技術(shù)被國外所壟斷。王魏魏、宿忠娥、朱實(shí)強(qiáng)在《科技創(chuàng)新與應(yīng)用》2018年25期上發(fā)表期刊，提出了搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀。搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，采用球形鉸鏈機(jī)構(gòu)，縮小了體積，設(shè)計(jì)原理簡單，成本低，可以在惡劣天氣工作等優(yōu)點(diǎn)[1]。

此外，有專家致力于區(qū)域自動(dòng)氣象站風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性研究。目前區(qū)域站中應(yīng)用極為廣泛的是光電式風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器。為了確保傳感器的探 測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期對(duì)其進(jìn)行檢測。風(fēng)向傳感器現(xiàn)場檢測通常使用人工視力和標(biāo)準(zhǔn)度盤重錘測 試方法，效率低且精度不高;風(fēng)速傳感器現(xiàn)場檢測時(shí) 通常需手動(dòng)調(diào)節(jié)儀器調(diào)速閥，同時(shí)讀取傳感器風(fēng)速值和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，檢測步驟流程繁瑣，準(zhǔn)確度不高[2]。

屈志毅等設(shè)計(jì)出了電接風(fēng)向風(fēng)速數(shù)字化處理系統(tǒng)。盧會(huì)國等設(shè)計(jì)了風(fēng)速傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)。以上人員雖然取得了不錯(cuò)的成果，但設(shè)備通常體積較大，需要通人市電才能完成工作。由于區(qū)域站現(xiàn) 場檢測時(shí)環(huán)境復(fù)雜，沒有水電等基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)有的檢測設(shè)備難以在其所處環(huán)境下完成檢測工作[3]。

近年來，研究者將風(fēng)速風(fēng)向儀的研究趨于自主化、實(shí)用化、便捷化、簡單化，精確化。

二、項(xiàng)目內(nèi)容

1.項(xiàng)目方案

1.1風(fēng)向部分：由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)向度盤（磁羅盤）等組成，風(fēng)向示值由風(fēng)向指針在風(fēng)向度盤上的位置來確定。

風(fēng)速部分：預(yù)計(jì)將采用傳統(tǒng)的三環(huán)旋轉(zhuǎn)框架結(jié)構(gòu)，儀器中的單片機(jī)對(duì)風(fēng)速傳感器的輸出頻率進(jìn)行采樣和計(jì)算分析，最后通過LCD顯示屏，將單片機(jī)計(jì)算和分析得出的瞬時(shí)風(fēng)速、一分鐘平均風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)位、一分鐘平均風(fēng)位、平均風(fēng)速和相應(yīng)的波高，用數(shù)字的形式直接顯示出來。

2.組件原理

2.1風(fēng)速傳感器：感應(yīng)元件是一個(gè)三杯旋轉(zhuǎn)組件，它由三個(gè)塑料風(fēng)杯和一個(gè)杯架組成。轉(zhuǎn)換器是一個(gè)多齒旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯和一個(gè)狹長的狹縫光耦合器。當(dāng)風(fēng)杯在水平風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，頻率信號(hào)通過狹縫光耦合器中的軸旋轉(zhuǎn)杯的旋轉(zhuǎn)而輸出。

風(fēng)向傳感器：該傳感器內(nèi)置電子羅盤，可自動(dòng)定位轉(zhuǎn)向角，可安裝在固定場所或移動(dòng)場

所。轉(zhuǎn)換器是一個(gè)碼盤和一個(gè)光電模塊。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨著風(fēng)向的變化而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電模塊的間隙中旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的光電信號(hào)與當(dāng)前風(fēng)向的循環(huán)二進(jìn)制單位距離碼的輸出相對(duì)應(yīng)。換能器的換能器可以采用精密的導(dǎo)電塑料電位器，這樣就可以在電位器的主動(dòng)端產(chǎn)生可變的電壓信號(hào)輸出。

3.程序內(nèi)容

3.1基本闡述：風(fēng)向風(fēng)速檢測程序使用C語言編寫，風(fēng)向部分使用風(fēng)向傳感器輸出的模擬電壓值來進(jìn)行判斷，將儀器得到的數(shù)字量去除以1024來轉(zhuǎn)換為電壓值顯示;風(fēng)速部分，計(jì)算公式為：風(fēng)速F=0.027*V（電壓）*3.6? km/h，根據(jù)此公式，可以將風(fēng)速的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可以顯示的數(shù)值。

3.2編程編寫

三、儀器概況與風(fēng)向、風(fēng)速測試數(shù)據(jù)匯總分析

1.儀器概況

1.1儀器設(shè)計(jì)原理圖

1.2液晶顯示屏說明：液晶顯示屏是以若干個(gè)5 ×7/8或5 ×10/11點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群，每個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)字符位， 字符間距和行距都為一個(gè)點(diǎn)的寬度。

2.風(fēng)向、風(fēng)速測試數(shù)據(jù)匯總分析

鑒于儀器靈敏度存在一定的上限，我們選擇在11、12月中天氣良好、風(fēng)力適中的共計(jì)15天中，選擇能夠明顯感受到風(fēng)吹感的高層空曠區(qū)域進(jìn)行有關(guān)風(fēng)向風(fēng)速的測試。所有測量結(jié)果得出后，我們將5次測量數(shù)據(jù)以及風(fēng)向數(shù)據(jù)與氣象網(wǎng)站上的風(fēng)向風(fēng)速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如下表所示：

將所有偏差取絕對(duì)值后求和計(jì)算其平均值，計(jì)算出其風(fēng)速測量平均偏差為0.284，而風(fēng)向基本正確?？赡艽嬖跍y量方式與地點(diǎn)不同或設(shè)備自身誤差因而與官方數(shù)據(jù)存在細(xì)微誤差，但沒有較大影響。

3.實(shí)現(xiàn)的基本功能

（1）精準(zhǔn)正確測量風(fēng)向風(fēng)速，測量數(shù)據(jù)與官方給出數(shù)據(jù)基本一致。

（2）方便攜帶，不易損壞，四位實(shí)驗(yàn)組成員多次攜帶其外出測量感受。

（3）隨開隨用、隨關(guān)就停，需要測量只需打開開關(guān)即可，關(guān)機(jī)則同理。

（4）? 數(shù)據(jù)便于讀取，所有數(shù)據(jù)都會(huì)清晰明了地呈現(xiàn)在顯示屏上。

四、結(jié)論與展望

目前，在航空航天領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)速風(fēng)向探測的要求仍然具有高需求量、高精準(zhǔn)度、高可靠性、高便利性等，雖然在需求之下，風(fēng)速風(fēng)向的探測已經(jīng)成為了成熟的、市場化的領(lǐng)域，但通過對(duì)風(fēng)速風(fēng)向探測儀的原始思路的再探索，有利于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段市面上風(fēng)速風(fēng)向儀仍舊隱藏著的缺點(diǎn)，有助于未來進(jìn)行更進(jìn)一步的改進(jìn)。傳統(tǒng)風(fēng)向風(fēng)速儀，一定程度上分別存在不實(shí)用、成本高、操作難、不精確的缺點(diǎn)。

我研究小組在先前階段的課題任務(wù)中，主要獲得了以下幾個(gè)成果：

（1）研究并嘗試制作出了一個(gè)具有“隨開隨用，方便攜帶、測量結(jié)果較為正確、工序簡易且環(huán)保、使用方便，可以提供給社會(huì)上各個(gè)需要風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的群體使用”等特性的“簡易風(fēng)向風(fēng)速儀”。

（2）經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)與測試，我們證明了其實(shí)用性、耐用性、精確性、方便攜帶以及節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。

（3）2021年12月至2022年1月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集中，我們證明了自己制作的風(fēng)速風(fēng)向儀的實(shí)用、耐用性等，同時(shí)也通過采集上海松江區(qū)在實(shí)驗(yàn)日期時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)該段時(shí)間內(nèi)上海市松江區(qū)的天氣規(guī)律有了淺顯的了解。

不足之處在于設(shè)計(jì)上的偏差，例如：雨天由于降水的影響，風(fēng)向風(fēng)速儀會(huì)存在誤差，不具有完全普適性，即不能在特定天氣條件下精確測量風(fēng)向風(fēng)速。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曦.測量風(fēng)速的方法[D].2010

[2]魏明明、劉禹杉、章允昊.風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢測儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J] . 氣象科技，2018（4）

[3]屈志毅、孔令旺、吳換霞. 電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙數(shù)字化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[S].2008