基于Arduino的风向风速信号转换器设计

2021-12-25伍立坤尹珊珊黄文秋

科学与信息化 2021年14期

伍立坤尹珊珊黄文秋

1. 孝感市气象局湖北孝感 432100；2. 大悟县气象局湖北孝感 432800

引言

孝感市气象局现有区域自动气象站108个，相关风向风速传感器分别为中环天仪（天津）气象仪器有限公司生产的EL15型风向风速传感器和江苏省无线电科学研究所有限公司生产的ZQZ-TF型风向风速传感器，两个型号的风传感器因传输信号不同不能通用。在区域自动气象站故障时，如出现对应备件不足，则无法及时恢复站点数据。

本文通过分析EL15型和ZQZ-TF型风传感器工作原理，利用Arduino UNO作为主控器，设计一款风向风速信号转换器，转换上述两个型号风向风速传感器的输出信号。实现在出现区域自动气象站风向风速或采集器故障时，如对应备件不足，可使用其他厂家设备应急处理设备故障。

1 风向风速传感器原理分析

1.1 EL15-1C型和ZQZ-TF型风速传感器原理

EL15-1C型和ZQZ-TF型风速传感器工作原理相同，均为在水平风力的作用下，三杯式回转架旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的 36 个磁体形成 18 个小磁场，风杯组每旋转一圈，在霍尔开关电路中感应出18个脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加[1]。

EL15-1C型风速输出方程：V=0.2315+0.0495F

ZQZ-TF型风速输出方程：V=0.1F

V：风速，单位：m/s

F：脉冲频率，单位：Hz

1.2 EL15-2E型风向传感器原理

EL15-2E型风向传感器的感应元件为风向标组件。角度变换电路为电位器变换方式。电位器总阻值为 5KΩ。电位器的轴与主轴连接在一起，当风向标组件转动时，电位器输出的电阻被转换成连续变化的电压（0-2.5V）,且随风向角度的增加而线性增大，输出电压0-2.5V对应于风向 0-360 °。

1.3 ZQZ-TF型风向传感器原理

ZQZ-TF型风向传感器利用一个低惯性的风向标部件作为感应元件，风向标部件随风旋转，带动转轴下端的风向码盘，每转动2.8125°，位于光电器件支架上下两边的七位光电转化电路就输出一组新的七位并行格雷码，128个格雷码对应风向0～360°。

2 信号转换器整体架构

利用Arduino UNO开发板作为主控器，将各传感器输出信号接入对应数字输入或模拟输入引脚，读取各传感器输出信号。经转化后，通过数字输出或PWM输出引脚，将处理后的信号输出至区域自动气象站采集器中，实现风向风速传感器的互用[2]。

3 程序设计

3.1 EL15-1C型与ZQZ-TF型风速信号转换

因EL15-1C型和ZQZ-TF型风速传感器均根据风速线性输出脉冲信号，仅风速输出方程不同，利用Arduino UNO转换频率输出即可实现信号转换。

EL15-1C型转换为ZQZ-TF型风速信号时，将EL15-1C型风速传感器信号线接入Arduino数字输入引脚，将区域自动气象站采集器风速端口接入Arduino的PWM输出引脚。利用pulseIn( )函数读取数字输入引脚风速脉冲宽度，并计算输入脉冲频率。通过两个传感器风速输出方程，即可换算得出对应风速下ZQZTF型风速传感器需输出的脉冲频率。利用tone( )函数在PWM输出引脚上输出转换后的脉冲频率，即可完成信号转换。ZQZ-TF型转换为EL15-1C型风速信号方式亦然。

3.2 EL15-2E型与ZQZ-TF型风向信号转换

因EL15-2E型风向传感器根据风向线性输出0～2.5V模拟信号，而ZQZ-TF型风向传感器根据风向通过7个端口输出格雷码对应的高低电平，分别输出模拟、数据信号，利用Arduino UNO的I/O转换功能即可实现信号转换。

在EL15-2E型转换为ZQZ-TF型风向信号时，将EL15-2E型风向传感器信号线接入Arduino模拟输入引脚，将区域自动气象站采集器7个风向端口分别接入Arduino的7个数字输出引脚。利用analogRead( )函数读取模拟输入引脚电压的映射数值（0～2.5V对应0～512），映射数值除以4即是格雷码对应的十进制值。将十进制转换为7位格雷码，利用 digitalWrite( )函数将7个数字输出引脚分别输出7位格雷码对应的高低电平。即可完成信号转换。

在ZQZ-TF型转换为EL15-2E型风向信号时，将ZQZ-TF型风向传感器7根信号线分别接入Arduino的7个数字输入引脚，将区域自动气象站采集器风向端口接入Arduino的PWM输出引脚。利用digitalRead( )函数读取7个数字输入引脚的电平状态，形成7位格雷码数组，并将格雷码转换为十进制，即0～128。利用analogWrite( )函数输入格雷码十进制值，PWM输出引脚即输出对应的调制电压（0～2.5V），即可完成信号转换[3]。