论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了一种使用STM32单片机作为微处理器设计的EL15-2C风向传感器检测仪，该检测仪可以通过快插方式连接风向传感器，无需设置只需固定方向旋转风向标一周以上即可自动判断风向传感器故障情况，使用方便快捷，能够作为地面气象探测设备技术保障人员的辅助测试设备。
关键词：检测仪；EL15-2C风向传感器；STM32微处理器；格雷码
中图分类号：S16 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430072
前言
在内蒙古自治区，共有119个有人值守气象观测台站，2000多个区域自动站，其中有人值守台站全部为双套设备，这些设备中大部分都为华云升达产品，其风向传感器主要以EL15-2C为主。
由于EL15-2C风向传感器为7位格雷码输出方式，所以传感器工作是否正常很难简单的通过万用表测试得知，而本文所述的检测仪就是针对这种现状，通过电子线路技术与气象技术保障实际业务需求相结合而设计[1]。
1 基本原理及优势
EL15-2C风向传感器检测仪自带锂离子可充电电池，通过连接风向传感器航空插座，然后拨动风向标旋转一周以上，即可自动进行检测分析，判断传感器工作是否正常，如果有缺项故障或无输出故障，则会点亮对应的报警指示灯进行提示，否则正常指示灯亮起。该检测仪小巧灵活，在进行故障排除或者更换传感器备件时进行检查，通过简单的操作即可诊断传感器运行状态，能够大大缩小故障排除范围，提高工作人员工作效率。
2 整体设计方案
检测仪由硬件电路、外围结构以及固件程序构成，采用直插方式与传感器连接，插头与机身集于一体能够提高使用便捷性，内部安装有检测电路板以及锂电池，结构如图1所示。检测仪面板共有“D0-D6”以及“OK”7个指示灯，当检测到风向传感器七位格雷码某一项故障时，对应的指示灯会亮起，如果传感器无输出或其他故障，则7个指示灯全部点亮；当传感器正常工作时，“OK”指示灯点亮。
3 系统硬件设计
3.1 风向传感器工作原理
EL15-2C风向传感器为7位格雷码输出方式，供电电压为5V直流电压，风向值分辨率为2.8°，内部具有格雷码盘和七位光电传感器，风向标的转动带动格雷码盘转动，从而形成变化的7位格雷码数据，供采集器检测[2]。在风向传感器转动时，7位输出信号为不同脉宽和相位的脉冲信号，每一位的电压在0V与5V间交替变换。
3.2 检测仪硬件设计
检测仪基于STM32单片机设计，电路结构如图2所示，包括充電电路以及内置锂电池模块，充电电路采用市面常见的插口，使用通用5V电源适配器进行充电；检测电路实现风向传感器7位格雷码的信号处理与采集；STM32系统进行数据采集与故障分析，最终通过报警指示灯指示故障原因[3]。
由于风向传感器的工作电压为5V，而检测仪内部电路工作电压为3.3V，所以在进行风向信号采集时，首先需要将传感器5V的信号电平转换为3.3V，同时对信号进行缓冲，提高驱动能力。如图3所示，检测电路主要采用NXP的HEF4050BT六非反相缓冲器设计，该芯片具有高电流输出功能，且其工作电压为3～15V，接受超过电源电压的输入电压，可将高达15V的逻辑电平转换为标准TTL电平，可进行从高到低的逻辑电平转换。
风向传感器信号经缓冲器转换后输入到STM32 F103CBT6单片机的GPIO端口PA0-PA6，单片机根据预设固件程序进行处理分析后，将诊断结果输出到PB0-PB7端口，从而控制LED指示灯进行正确的警示，图3中仅画出一路LED指示灯电路图[4]。
4 系统软件设计
检测仪固件程序使用C语言进行编写，程序流程如图4所示，系统开机上电后首先进行外设初始化，其次进入检测阶段，实时读取传感器的格雷码数据进行分析判断。检测仪内置3种算法，第1种算法通过记录风向标旋转一周以上每位信号线高低电平变化次数进行判别；第2种算法将格雷码数据与预设的标准值进行逐个比对，当风向标旋转一周后完成检测；第3种算法首先将格雷码转换为风向值，旋转一周后检查风向值的连续性，根据每一位信号线对风向角度的影响区间不同来完成诊断。通过3种算法的综合分析可判断7位格雷码某一位存在故障，或存在其他类型的故障。比如，检测结果为D4缺项，则D4-LED指示灯会点亮；如果是其他类型故障，则D0-D6指示灯全部亮起；如果传感器工作正常，则OK-LED指示灯点亮。
5 系统测试与结论
对研制的风向传感器检测仪进行试验，分别选取一个正常的传感器与一个人为断开一路信号的传感器进行检测。正确连接EL15-2C传感器后开机，此时检测仪读取到第一个数据，拨动传感器风向标，使其至少旋转一周后，检测仪读取全部角度数据，进行分析后能够正确点亮指示灯显示故障类型，表明该检测仪能够作为EL15-2C风向传感器的故障检测装置，使用简单方便，诊断结果准确，能够作为地面探测设备技术保障人员的辅助检测设备。
参考文献
[1] 黄增林，李崇福，张继光，张敏.EL15-2C型风向传感器的结构原理分析[J].电子世界，2015（15）：158-159.
[2] 杨涛，陈涛，郑亮.EL15-2C型风向传感器现场故障分析方法研究[J].成都信息工程大学学报，2016（5）：469-472.
[3] 安学武，赵建凯，包伟智，李博.一种基于专家库的地面气象探测设备远程技术支持系统[J].内蒙古气象，2018（3）：40-43.
[4] 安学武，赵建凯，包伟智，李博.一种多通道温湿度传感器选通控制器的研制[J].内蒙古气象，2018（4）：46-48.
关键词：检测仪；EL15-2C风向传感器；STM32微处理器；格雷码
中图分类号：S16 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430072
前言
在内蒙古自治区，共有119个有人值守气象观测台站，2000多个区域自动站，其中有人值守台站全部为双套设备，这些设备中大部分都为华云升达产品，其风向传感器主要以EL15-2C为主。
由于EL15-2C风向传感器为7位格雷码输出方式，所以传感器工作是否正常很难简单的通过万用表测试得知，而本文所述的检测仪就是针对这种现状，通过电子线路技术与气象技术保障实际业务需求相结合而设计[1]。
1 基本原理及优势
EL15-2C风向传感器检测仪自带锂离子可充电电池，通过连接风向传感器航空插座，然后拨动风向标旋转一周以上，即可自动进行检测分析，判断传感器工作是否正常，如果有缺项故障或无输出故障，则会点亮对应的报警指示灯进行提示，否则正常指示灯亮起。该检测仪小巧灵活，在进行故障排除或者更换传感器备件时进行检查，通过简单的操作即可诊断传感器运行状态，能够大大缩小故障排除范围，提高工作人员工作效率。
2 整体设计方案
检测仪由硬件电路、外围结构以及固件程序构成，采用直插方式与传感器连接，插头与机身集于一体能够提高使用便捷性，内部安装有检测电路板以及锂电池，结构如图1所示。检测仪面板共有“D0-D6”以及“OK”7个指示灯，当检测到风向传感器七位格雷码某一项故障时，对应的指示灯会亮起，如果传感器无输出或其他故障，则7个指示灯全部点亮；当传感器正常工作时，“OK”指示灯点亮。
3 系统硬件设计
3.1 风向传感器工作原理
EL15-2C风向传感器为7位格雷码输出方式，供电电压为5V直流电压，风向值分辨率为2.8°，内部具有格雷码盘和七位光电传感器，风向标的转动带动格雷码盘转动，从而形成变化的7位格雷码数据，供采集器检测[2]。在风向传感器转动时，7位输出信号为不同脉宽和相位的脉冲信号，每一位的电压在0V与5V间交替变换。
3.2 检测仪硬件设计
检测仪基于STM32单片机设计，电路结构如图2所示，包括充電电路以及内置锂电池模块，充电电路采用市面常见的插口，使用通用5V电源适配器进行充电；检测电路实现风向传感器7位格雷码的信号处理与采集；STM32系统进行数据采集与故障分析，最终通过报警指示灯指示故障原因[3]。
由于风向传感器的工作电压为5V，而检测仪内部电路工作电压为3.3V，所以在进行风向信号采集时，首先需要将传感器5V的信号电平转换为3.3V，同时对信号进行缓冲，提高驱动能力。如图3所示，检测电路主要采用NXP的HEF4050BT六非反相缓冲器设计，该芯片具有高电流输出功能，且其工作电压为3～15V，接受超过电源电压的输入电压，可将高达15V的逻辑电平转换为标准TTL电平，可进行从高到低的逻辑电平转换。
风向传感器信号经缓冲器转换后输入到STM32 F103CBT6单片机的GPIO端口PA0-PA6，单片机根据预设固件程序进行处理分析后，将诊断结果输出到PB0-PB7端口，从而控制LED指示灯进行正确的警示，图3中仅画出一路LED指示灯电路图[4]。
4 系统软件设计
检测仪固件程序使用C语言进行编写，程序流程如图4所示，系统开机上电后首先进行外设初始化，其次进入检测阶段，实时读取传感器的格雷码数据进行分析判断。检测仪内置3种算法，第1种算法通过记录风向标旋转一周以上每位信号线高低电平变化次数进行判别；第2种算法将格雷码数据与预设的标准值进行逐个比对，当风向标旋转一周后完成检测；第3种算法首先将格雷码转换为风向值，旋转一周后检查风向值的连续性，根据每一位信号线对风向角度的影响区间不同来完成诊断。通过3种算法的综合分析可判断7位格雷码某一位存在故障，或存在其他类型的故障。比如，检测结果为D4缺项，则D4-LED指示灯会点亮；如果是其他类型故障，则D0-D6指示灯全部亮起；如果传感器工作正常，则OK-LED指示灯点亮。
5 系统测试与结论
对研制的风向传感器检测仪进行试验，分别选取一个正常的传感器与一个人为断开一路信号的传感器进行检测。正确连接EL15-2C传感器后开机，此时检测仪读取到第一个数据，拨动传感器风向标，使其至少旋转一周后，检测仪读取全部角度数据，进行分析后能够正确点亮指示灯显示故障类型，表明该检测仪能够作为EL15-2C风向传感器的故障检测装置，使用简单方便，诊断结果准确，能够作为地面探测设备技术保障人员的辅助检测设备。
参考文献
[1] 黄增林，李崇福，张继光，张敏.EL15-2C型风向传感器的结构原理分析[J].电子世界，2015（15）：158-159.
[2] 杨涛，陈涛，郑亮.EL15-2C型风向传感器现场故障分析方法研究[J].成都信息工程大学学报，2016（5）：469-472.
[3] 安学武，赵建凯，包伟智，李博.一种基于专家库的地面气象探测设备远程技术支持系统[J].内蒙古气象，2018（3）：40-43.
[4] 安学武，赵建凯，包伟智，李博.一种多通道温湿度传感器选通控制器的研制[J].内蒙古气象，2018（4）：46-48.