Ветер характеризуется скоростью и направлением

2. Описание объектов измерения

.1 Технические требования

Предел допускаемой основной погрешности: ±1%

Температура окружающего воздуха -30…+70°С
Диапазон измерений: 0,7 - 15 м/с;
Напряжение питания: 220, 50Гц

.2 Виды Анемометров

Рис 2. Лопастный анемометр

Ещё один анемометр - это лопастный

C изменением направления ветра ось пропеллера должна ориентироваться в этом же направлении; для этих целей используютсяфлюгер или устройство, его заменяющее. Для измерения скорости потока, не изменяющего своего направления, например, в воздуховодах шахтах и зданий, используются вертушки с жёстко закреплённой осью.
Однако в последнее время всё больше предпочитают использовать другие конструкции, без подвижных частей.

Тепловой анемометр

Представляет собой открытую тонкую нить накаливания (вольфрам, нихром и т.п.), нагретую выше температуры среды и охлаждаемую воздушным потоком. Сопротивление нити изменяется с температурой и определённым образом зависит от скорости ветра. В зависимости от схемы включения датчика различают приборы с фиксированным током через нить, фиксированным напряжением на нити и с фиксированной её температурой.
Конструкция имеет недостатки как очевидные (хрупкость), так и менее очевидные (нарушение градуировки из-за быстрого старения горячей проволоки), но в силу очень малой инерционности она широко применяются в аэродинамических экспериментах для измерения локальной турбулентности и пульсаций потока. Часто изготовляются самими экспериментаторами.

Рис 3.Ультразвуковой анемометр

Принцип действия анемометров ультразвукового типа - в измерении скорости звука, которая изменяется в зависимости от направления ветра. Различают двумерные ультразвуковые анемометры, трехмерные ультразвуковые анемометры и термоанемометры. Двумерный анемометр способен измерять скорость и направление горизонтального ветра. Трехмерный анемометр проводит измерение первичных физических параметров - времен проходов импульсов, а затем пересчитывает их в три компоненты направления ветра. Термоанемометр, помимо трех компонент направления ветра, способен измерять еще и температуру воздуха ультразвуковым методом.

3. Разработка структурной схемы ИИС

.1 Структурная схема с использованием аналоговых датчиков

Варианты преобразователя сигнала с датчика в код:

1. отдельные АЦП и МК



Рис 3. Структурная схема измерителя скорости с внешним АЦП(PWM)

. МК с поддердкой PWM

Рис 4. Структурная схема измерителя скорости с внутренним АЦП(PWM)

Для реализации устройства выберем структурную схему, так как с МК поддерживающим функцию ШИМ программирование будет проще, а шанс допустить ошибку меньше.

Элементы прибора:
датчик Холла
микроконтроллер - оцифровывает сигнал с датчиков и выводит данные на монитор через COM порт.
4. Проектирование анемометра

.1 Обоснование выбора типа ОМК

Для реализации данного устройства больше всего подходит микроконтроллер типа PIC16628, так как имеет не высокую стоимость и необходимое число портов ввода/вывода, а так же большую распространенность и присутствие Datasheet (документация) на русском языке. В его внутренней конфигурации есть таймер, и присутствуют прерывания. На этом микроконтроллере и будет разрабатываться устройство.

.2 Назначение отдельных функциональных блоков

.2.1 Различные блоки

COM порт для вывода изображения на ПК.

Микросхема MAX232 является преобразователем уровней.



Рис Блок питания



Рис МК PIC 16628 Рис Кварц

Рис Датчик Холла.



Рис

Вал приводящийся в движение лопастями вращающимися под воздействием силы ветра.

5. Блок схема работы устройства

.1 Datasheet PIC16F628A

Характеристика RISC ядра:

 Тактовая частота от DC до 20МГц

 Поддержка прерываний
 8-уровневый аппаратный стек
 Прямая, косвенная и относительная адресация
 35 однословных команд
все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом
Особенности микроконтроллеров:
 Внешний и внутренний режимы тактового генератора
- Прецизионный внутренний генератор 4МГц,
нестабильность +/- 1%
- Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц
Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора
 Режим энергосбережения SLEEP
 Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB
 Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором
 Режим низковольтного программирования
 Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)
 Защита кода программы
 Сброс по снижению напряжения питания BOR
 Сброс по включению питания POR
 Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST
 Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В
 Промышленный и расширенный температурный диапазон
 Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM
- 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ
1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных
Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет
Характеристики пониженного энергопотребления:
 Режим энергосбережения:
- 100нА @ 2.0В (тип.)
 Режимы работы:
- 12мкА @ 32кГц, 2.0В (тип.)
120мкА @ 1МГц, 2.0В (тип.)
 Генератор таймера TMR1:
- 1.2мкА, 32кГц, 2.0В (тип.)
 Сторожевой таймер:
- 1мкА @ 2.0В (тип.)
 Двухскоростной внутренний генератор:
- Выбор скорости старта 4МГц или 37кГц
Время выхода из SLEEP режима 3мкс @ 3.0В (тип.)
Периферия:
 16 каналов ввода/вывода с индивидуальными битами направления
 Сильноточные схемы портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов
 Модуль аналоговых компараторов:
Два аналоговых компаратора
Внутренний программируемый источник опорного напряжения
Внутренний или внешний источник опорного напряжения
Выходы компараторов могут быть подключены на выводы микроконтроллера
 TMR0: 8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем
 TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик с внешним генератором
 TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем и постделителем
 CCP модуль:
разрешение захвата 16 бит
разрешение сравнения 16 бит
10-разрядный ШИМ
Адресуемый USART модуль :

.2 Структура программы

скорость ветер сила измерение
Микроконтроллер выполняет следующие функции:

• 
  прием сигнала с датчика Холла;
  
• 
  преобразование результатов замера в десятичный формат;
  
• 
  вычисление PWM по принятым сигналам
  
• 
  вычисление по заложенной таблице соотношений, количества оборотов \ расчетная скорость;
  
• 
  формирование управляющих импульсов индикации для последующей отправки на COM;
  

Программа содержит следующие участки программы:
INIT - производит перевод всех портов устройства в исходное состояние;
INT_START - обработчик прерываний;- подпрограмма обновления состояния индикатора;
MAIN - основная програма;

6. Расчет силы ветра по его скорости

Из-за того что влияние ветра на человека зависит от его скорости, эта характеристика была в основе первых классификаций ветра. Наиболее распространенной из таких классификаций является Шкала силы ветра Бофорта, что предоставляет собой эмпирическое описание силы ветра в зависимости от наблюдаемых условий моря. Сначала шкала была 13-уровневой, но начиная с 1940-х годов она была расширена до 18 уровней. Для описания каждого уровня эта шкала в оригинальном виде использовала термины разговорного английского языка, такие как breeze, gale, storm, hurricane], что были заменены также разговорными терминами других языков, такими как «штиль», «шторм» и «ураган» на русском. Так, по шкале Бофорта, шторм соответствует скорости ветра (усредненной за 10 минут и округленной до целого числа узлов) от 41 до 63 узлов (20,8-32,7 м/с), при этом этот диапазон делится на три подкатегории с помощью прилагательных «сильный» и «жестокий».

Таблица 1

Баллы	Словесное обозначение силы ветра	Скорость ветра, м/с	Скорость ветра км/ч
0	Штиль	0-0,2	Менее 1
1	Тихий	0,3-1,5	2-5
2	Легкий	1,6-3,3	6-11
3	Слабый	3,4-5,4	12-19
4	Умеренный	5,5-7,9	20-28
5	Свежий	8,0-10,7	29-38
6	Сильный	10,8-13,8	39-49
7	Крепкий	13,9-17,1	50-61
8	Очень крепкий	17,2-20,7	62-74
9	Шторм	20,8-24,4	75-88
10	Сильный шторм	24,5-28,4	89-102
11	Жестокий шторм	28,5-32,6	103-117
12	Ураган	>32,6	Более 117

Ветер в 5 баллов (8-10,7 метров в секунду) давит на поверхности тел нормально с силой около 10 кг, на каждый квадратный метр площади. Ветер, дующий со скоростью 20 метров в секунду, производит на встречные тела нормальное давление, равное 50 кг на квадратный метр поверхности. Ураганы, скорость которых достигает 50-60 метров, оказывают давление в 200 и более килограммов на квадратный метр! Можно выполнить оценочные расчеты ветряков и ветроколес по этим данным. У промышленных ветряков разрушение ротора при 60 м/c.
Если воздух полностью останавливается о препятствие то


,

где p - плотность воздуха. отсюда давление

7. Расчет потребляемых токов

Расчет потребляемых токов сводится к тому, что необходимо определить суммарное потребление тока всеми микросхемами, то есть:

(4.1)

где Iобщ - общий ток, потребляемый устройством,- ток, потребляемый k-той микросхемой,- общее число микросхем,- число микросхем данного типа.

Токи, потребляемые каждой микросхемой, показаны в таблице 2

Таблица 2

Потребление токов микросхемами

№ п/п	Тип микросхемы	Количество	Ток одной микросхемы, mA	Общий ток,mA
1.	Max232	1	20	20
2.	PIC16628	1	2	2
3.	Датчик Холла	1	50	50
ВСЕГО				72

Получаем общий ток потребления:

Расчет потребляемой мощности
Расчет потребляемой мощности сводится к тому, что необходимо определить мощность потребляемую устройством, то есть:


(4.2)
где Робщ - общая потребляемая мощность,пит - напряжение питания,общ - общий ток потребления.

Общая потребляемая мощность составляет не более 0,4 Вт.

.1 Расчет надежности

Интенсивность отказов  характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени:

где m - число изделий, отказавших за время t,- число исправно работающих изделий к началу промежутка времени.

Если предположить, что отказы различных элементов взаимно независимы и каждый отказ носит катастрофический характер, то есть полностью нарушают работоспособность, то интенсивность отказов устройства равна сумме интенсивностей отказов элементов, составляющих устройство:

где i - интенсивность отказов элементов i-го типа,- количество элементов i-го типа входящего в устройство.

Наработка на отказ равна:

Интенсивность отказов элементов следующая:

микросхемы - 0.8510-6 (ч-1),
резисторы - 0.910-6 (ч-1),
конденсаторы - 1.410-6 (ч-1).
Тогда,
(ч-1)

Поскольку не учтена интенсивность отказа некоторых элементов примем что наработка на отказ составит около 30 000 часов. Такую надежность устройства можно считать приемлемой.

8. Расчет погрешности

.1 Документированные погрешности элементов

Погрешности датчика Холла:

приведенная погрешность ± 0,5%
основная погрешность ±0,1%
темп. коэффициент нестабильности напряжения 0,003%/10 °C.
Погрешности встроенного в МК АЦП:
интегральная нелинейность ±0,05%;
дифференциальная нелинейность ±0,040%;
погрешность смещения нуля (калибруется) ±0,050%;
погрешность диаметра (калибруется) ±0,090%;
погрешность резистора R ±0,1%

Заключение

В данной работе были рассмотрены и изучены приборы и измерения скорости.

Было разработано устройство измерения скорости Это устройство предназначено для измерения скорости и расчета силы ветра и отображения на цифровом табло её текущего значения.
Устройство реализовано на однокристальном микроконтроллере типа PIC16F628.
Применение в устройстве данного однокристального микроконтроллера привело к возможности оперативно меняя программу работы в широких пределах корректировать алгоритм обработки данных.
Устройство имеет следующие характеристики:
Потребляемая мощность не более 0,4 Вт;
Наработка на отказ около 30000 часов;
Как одно из возможных улучшений можно предложить для увеличения быстродействия использовать другой МК PIC18XXX.

Приложения

. Электрическая схема