簡易風速風向儀

劉鑫坤 劉天辰 沈傳鑫 李一南 杜麗娟

摘要：隨著航模、無人機這類新科技的普及以及社會各種場合對于其的需求和運用，考慮到這類器械在使用時對于風向風速有著特殊需求，我研究小組擬通過學習、設計、編程、實地數據測量計算等方法為需要風速風向數據的群體提供相關儀器。

關鍵詞：風向風速;實地數據測量計算;儀器

一、緒論

（一）研究現狀與趨勢

傳統大氣風速的測量，常采用風杯式或者風葉式風速儀。但是這些技術較為傳統的儀器很難實現多功能自動綜合檢測，如溫度、風速、風向等。這里指出此種風速風向儀存在的缺點是體積大，旋轉部件長期會造成磨損。另一種就是超聲波風速風向儀，存在的缺點就是成本高，技術復雜，國內技術被國外所壟斷。王魏魏、宿忠娥、朱實強在《科技創新與應用》2018年25期上發表期刊，提出了搖桿式風速風向儀。搖桿式風速風向儀優化了結構，采用球形鉸鏈機構，縮小了體積，設計原理簡單，成本低，可以在惡劣天氣工作等優點[1]。

此外，有專家致力于區域自動氣象站風向、風速數據的準確性研究。目前區域站中應用極為廣泛的是光電式風向傳感器和風速傳感器。為了確保傳感器的探 測數據的準確性，需要定期對其進行檢測。風向傳感器現場檢測通常使用人工視力和標準度盤重錘測 試方法，效率低且精度不高;風速傳感器現場檢測時 通常需手動調節儀器調速閥，同時讀取傳感器風速值和標準風速值，檢測步驟流程繁瑣，準確度不高[2]。

屈志毅等設計出了電接風向風速數字化處理系統。盧會國等設計了風速傳感器自動檢定系統。以上人員雖然取得了不錯的成果，但設備通常體積較大，需要通人市電才能完成工作。由于區域站現 場檢測時環境復雜，沒有水電等基礎設施，現有的檢測設備難以在其所處環境下完成檢測工作[3]。

近年來，研究者將風速風向儀的研究趨于自主化、實用化、便捷化、簡單化，精確化。

二、項目內容

1.項目方案

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

風速部分：預計將采用傳統的三環旋轉框架結構，儀器中的單片機對風速傳感器的輸出頻率進行采樣和計算分析，最后通過LCD顯示屏，將單片機計算和分析得出的瞬時風速、一分鐘平均風速、瞬時風位、一分鐘平均風位、平均風速和相應的波高，用數字的形式直接顯示出來。

2.組件原理

2.1風速傳感器：感應元件是一個三杯旋轉組件，它由三個塑料風杯和一個杯架組成。轉換器是一個多齒旋轉風杯和一個狹長的狹縫光耦合器。當風杯在水平風力的作用下旋轉時，頻率信號通過狹縫光耦合器中的軸旋轉杯的旋轉而輸出。

風向傳感器：該傳感器內置電子羅盤，可自動定位轉向角，可安裝在固定場所或移動場

所。轉換器是一個碼盤和一個光電模塊。當風向標隨著風向的變化而旋轉時，通過軸帶動碼盤在光電模塊的間隙中旋轉。產生的光電信號與當前風向的循環二進制單位距離碼的輸出相對應。換能器的換能器可以采用精密的導電塑料電位器，這樣就可以在電位器的主動端產生可變的電壓信號輸出。

3.程序內容

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

3.2編程編寫

三、儀器概況與風向、風速測試數據匯總分析

1.儀器概況

1.1儀器設計原理圖

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

2.風向、風速測試數據匯總分析

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、風力適中的共計15天中，選擇能夠明顯感受到風吹感的高層空曠區域進行有關風向風速的測試。所有測量結果得出后，我們將5次測量數據以及風向數據與氣象網站上的風向風速實時數據進行對比，如下表所示：

將所有偏差取絕對值后求和計算其平均值，計算出其風速測量平均偏差為0.284，而風向基本正確。可能存在測量方式與地點不同或設備自身誤差因而與官方數據存在細微誤差，但沒有較大影響。

3.實現的基本功能

（1）精準正確測量風向風速，測量數據與官方給出數據基本一致。

（2）方便攜帶，不易損壞，四位實驗組成員多次攜帶其外出測量感受。

（3）隨開隨用、隨關就停，需要測量只需打開開關即可，關機則同理。

（4）? 數據便于讀取，所有數據都會清晰明了地呈現在顯示屏上。

四、結論與展望

目前，在航空航天領域對風速風向探測的要求仍然具有高需求量、高精準度、高可靠性、高便利性等，雖然在需求之下，風速風向的探測已經成為了成熟的、市場化的領域，但通過對風速風向探測儀的原始思路的再探索，有利于發現現階段市面上風速風向儀仍舊隱藏著的缺點，有助于未來進行更進一步的改進。傳統風向風速儀，一定程度上分別存在不實用、成本高、操作難、不精確的缺點。

我研究小組在先前階段的課題任務中，主要獲得了以下幾個成果：

（1）研究并嘗試制作出了一個具有“隨開隨用，方便攜帶、測量結果較為正確、工序簡易且環保、使用方便，可以提供給社會上各個需要風速風向數據的群體使用”等特性的“簡易風向風速儀”。

（2）經過多次實驗與測試，我們證明了其實用性、耐用性、精確性、方便攜帶以及節能環保的特點。

（3）2021年12月至2022年1月的實驗數據采集中，我們證明了自己制作的風速風向儀的實用、耐用性等，同時也通過采集上海松江區在實驗日期時的風速、風向數據，對該段時間內上海市松江區的天氣規律有了淺顯的了解。

不足之處在于設計上的偏差，例如：雨天由于降水的影響，風向風速儀會存在誤差，不具有完全普適性，即不能在特定天氣條件下精確測量風向風速。

參考文獻：

[1]張曦.測量風速的方法[D].2010

[2]魏明明、劉禹杉、章允昊.風向風速傳感器檢測儀設計與應用[J] . 氣象科技，2018（4）

[3]屈志毅、孔令旺、吳換霞. 電接風向風速自記紙數字化處理系統的設計與實現[S].2008