一种电容式风向测量装置
阅读说明：本技术 一种电容式风向测量装置 (Capacitive wind direction measuring device ) 是由 张赢 曹春诚 嵇泽林 蹇杭利 李江 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电容式风向测量装置,所述电容式风向测量装置包括：盒体、风向检测单元、圆柱形电容器以及电容测量模块；圆柱形电容器以及电容测量模块设于盒体的内部；风向检测单元设于圆柱形电容器的顶端；风向检测单元用于带动圆柱形电容器内的转动的圆柱电极板转动,以调整转动的圆柱电极板和固定的圆柱电极板之间的相对面积；圆柱形电容器用于根据相对面积,输出电容信号；圆柱形电容器与电容测量模块电性连接；电容测量模块用于检测圆柱形电容器得到电容信号,经过计算后得出风向偏转角度。本发明解决了检测风向时受环境影响较大,定位不准确的问题。(The invention discloses a capacitance type wind direction measuring device, which comprises: the wind direction detection device comprises a box body, a wind direction detection unit, a cylindrical capacitor and a capacitance measurement module; the cylindrical capacitor and the capacitance measuring module are arranged in the box body; the wind direction detection unit is arranged at the top end of the cylindrical capacitor; the wind direction detection unit is used for driving the rotating cylindrical electrode plate in the cylindrical capacitor to rotate so as to adjust the relative area between the rotating cylindrical electrode plate and the fixed cylindrical electrode plate; the cylindrical capacitor is used for outputting a capacitance signal according to the relative area; the cylindrical capacitor is electrically connected with the capacitance measuring module; the capacitance measuring module is used for detecting the cylindrical capacitor to obtain a capacitance signal, and the wind direction deflection angle is obtained after calculation. The invention solves the problems of great environmental influence and inaccurate positioning when detecting the wind direction.)
技术领域
本发明涉及一种风向测量领域，特别是涉及一种电容式风向测量装置。
背景技术
风作为一种自然现象，对人类日常活动存在诸多影响。风向作为风的重要参数，对其进行实时量测十分必要。风向传感器按工作原理可分为光电式和罗盘式等；光电式风向传感器的核心采用格雷玛盘编码，利用光电信号转换原理，可以准确的输出相对应的风向信息，但是缺点在于对环境的要求过高，温度和湿度的变化对测量的数据影响较大，不适用于野外作业；电子罗盘式风向传感器的核心采用电子罗盘定位绝对方向，缺点在于若无法屏蔽地球以外的磁场会导致电子罗盘定位失效。
发明内容
本发明的目的是提出一种高可靠性的电容式风向测量装置结构。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电容式风向测量装置，其特征在于，所述电容式风向测量装置，包括：盒体、风向检测单元、圆柱形电容器以及电容测量模块；所述圆柱形电容器以及所述电容测量模块设于所述盒体的内部；
所述风向检测单元设于所述圆柱形电容器的顶端；所述风向检测单元用于带动所述圆柱形电容器内的转动的圆柱电极板，以调整所述转动的圆柱电极板和固定的圆柱电极板之间的相对面积；所述圆柱形电容器用于根据所述转动的圆柱电极板和固定的圆柱电极板之间的相对面积的变化，输出电信号；
所述圆柱形电容器与所述电容测量模块电性连接；所述电容测量模块用于对所述圆柱形电容器输出的电信号进行采集并处理，输出风向偏转角度。
优选的，所述风向检测单元，具体包括：风向标和风向杆；
所述风向标与所述风向杆的上端连接，所述风向杆的下端与所述圆柱形电容器的内圆柱体相连接；所述风向标的转动带动所述风向杆转动，以带动所述内圆柱体转动。
优选的，所述圆柱形电容器具体包括：所述内圆柱体、外圆柱体以及所述内圆柱体和所述外圆柱体之间的电介质；
所述内圆柱体的侧表面上设有所述转动的圆柱电极板，所述外圆柱体的侧表面上设有所述固定的圆柱电极板。
优选的，所述内圆柱体和所述外圆柱体之间的电介质为甘油。
优选的，所述圆柱形电容器在初始时刻，所述转动的圆柱电极板与所述固定的圆柱电极板之间的相对面积为0。
优选的，所述电容测量模块，具体包括：积分电路、模数转换ADC采集电路以及核心控制板；
所述积分电路与所述圆柱形电容器电性连接；所述积分电路用于对所述电信号进行放大，并将放大后的电信号转换成电压信号；
所述模数转换ADC采集电路与所述积分电路电性连接；所述模数转换ADC采集电路用于将电压信号转换成数字信号；
所述核心控制板与所述模数转换ADC采集电路电性连接；所述核心控制板对所述数字信号进行处理，确定风向偏转角度。
优选的，所述核心控制板的型号为STM32F103。
优选的，还包括：显示单元；
所述显示单元与所述核心控制板电性连接，设置在所述盒体的外表面；所述显示单元为液晶显示屏，所述显示单元用于显示当前的风向偏转角度。
优选的，还包括：供电单元；
所述供电单元与所述核心控制板电性连接；所述供电单元通过USB接口对所述电容式风向测量装置供电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将圆柱形电容器以及电容测量模块设置在盒体中，避免了外界环境的影响，通过风向检测单元的转动调整圆柱形电容器内的转动的圆柱电极板与固定的圆柱体电极板之间的相对面积，圆柱形电容器根据转动的圆柱电极板与固定的圆柱电极板之间相对面积，输出相应的电压信号，电容测量模块对输出的电信号进行处理分析，最终得到风向偏转角度，提高了风向偏转角度的稳定性与测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明的电容量测电路图。
符号说明：1-风向标；2-风向杆；3-电介质；4-固定的圆柱电极板；5-转动的圆柱电极板；6-显示单元；7-积分电路；8-模数转换ADC采集电路；9-核心控制板STM32F103；10-供电单元。
VR-标准电压；CF-积分电容器；K1-S1开关指令端；K2-S2开关指令端；K3-S3开关指令端；S1-积分开关；S2-放电开关；S3-采样开关；AJ1-积分器集成运放；AJ2-采样保持器采样集成运放；AJ3-采样保持器保持集成运放；RF-积分电阻；RP-积分接地电阻；Rg-积分电容放电电阻。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电容式风向测量装置的系统结构。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实例提供的一种电容式风向测量装置，包括，盒体、风向检测单元、圆柱形电容器、电容测量模块、显示单元以及供电单元。
如图1所示，所述风向检测单元设于所述圆柱形电容器的顶端；所述风向检测单元用于带动所述转动的圆柱电极板5转动，以调整所述转动的电极板5以及所述固定的圆柱电极板4之间的相对面积；所述风向检测单元，具体包括：风向标1和风向杆2；所述风向标1与所述风向杆2的上端连接，所述风向杆2的下端与所述转动的圆柱电极板5相连接；所述风向标2的转动带动所述风向杆2转动，以带动所述转动的圆柱电极板5转动。
所述圆柱形电容器具体包括：所述转动的圆柱电极板5，所述固定的圆柱电极板4以及所述转动的圆柱电极板5与固定的圆柱电极板4之间的电介质3；所述转动的圆柱电极板与所述固定的圆柱电极板之间的电介质3为甘油。
所述圆柱形电容器根据所述转动的圆柱电极板5和所述固定的圆柱电极板4之间相对面积的变化，输出对应的电信号；所述圆柱形电容器的电容值与输出的电信号呈现正比关系；所述圆柱形电容器与所述电容测量模块电性连接；所述电容测量模块用于对所述圆柱形电容器输出的电信号进行采集并处理，通过计算分析后，输出风向偏转角度。
所述内圆柱体的侧表面上设有所述转动的圆柱电极板，所述外圆柱体的侧表面上设有所述固定的圆柱电极板。
所述圆柱形电容器在初始时刻或正北固定方向下，所述转动的圆柱电极板5为内圆柱体的侧面积的一半，所述固定的圆柱电极板4为外圆柱体的侧面积的另外一半，两者之间的初始相对面积为0。
所述电容测量模块，具体包括：积分电路7、模数转换ADC采集电路8以及核心控制板9。
所述积分电路7与所述圆柱形电容器电性连接；所述积分电路7用于对所述电信号进行放大，并将放大后的电信号转换成与电容等比例的电压信号；所述模数转换ADC采集电路8与所述积分电路7电性连接；所述模数转换ADC采集电路8用于将电压信号转换成数字信号；所述核心控制板9与所述模数转换ADC采集电路8电性连接；所述核心控制板9对所述数字信号进行处理，确定风向偏转角度。
所述核心控制板9的型号为STM32F103。
所述显示单元6与所述核心控制板9电性连接，设置在所述盒体的外表面；所述显示单元6为液晶显示屏，所述显示单元6用于显示当前的风向偏转角度。
所述供电单元10与所述核心控制板9电性连接；所述供电单元10通过USB接口对所述电容式风向测量装置供电。
如图2所示的信号系统处理框图，外界环境的大气风向通过改变风向检测单元中风向标1的方向，风向杆2跟随风向标1的转动而转动，进而带动圆柱形电容器中转动的圆柱电极板5转动，从而在内外两极板之间产生一定的电容，电容测量模块将圆柱形电容器的电容进行放大处理和模数转换，输出电信号至核心控制板9，进行处理，将得到的数据通过有线传输给显示单元6。
双极板圆柱电容的计算公式为：
式中ε为相对介电常数，RA为圆心轴到转动的圆柱电极板的半径，RB为圆心轴到固定的圆柱电极板的半径，L为圆柱体的高度，K为当前两极板之间的公共夹角在整体圆周中的占比，C为两电极板之间的电容。
由于本装置出现电容值最大时为内外极板相对时，为整体电容的一半，即为0.5C，即将转动的圆柱电极板和固定的圆柱电极板之间的相对面积拆分为180份，风向杆每旋转一度，两者间的相对面积增加或者减少一份面积，显然可以得知此时的风向角度与电容的数值为正比关系。偏转的角度越多，则电极板之间的相对面积就越大，从而电容会越大。
测量圆柱形电容器容量的电路为积分电路JFQ，如图3所示，积分电路7的积分关系式为：
将被测的两极板之间的电容CF作为积分电容从集成运算放大器AJ1的反相输入端Ea和输出端Eb两处接入积分电路中，积分电路输出的波形为正弦波，令积分电路式中的反相输入端输入标准电压VR并固定。测量电容开始指令下达时，测量步骤如下:
(1)计时器JSQ向放电开关S2开关指令端K2发出通电指令，接通电容器两极板电流，接通时间为3～8倍时间常数。
(2)计时器JSQ向积分开关S1开关指令端K1发出接通积分开关S1指令，令积分器开始积分。
(3)计时器JSQ通过统计脉冲个数开始计时，固定脉冲个数就固定了积分时间，积分时间从0到T后，得到积分电容器CF两边的积分电压值VFf。
(4)计时器JSQ向积分开关S1开关指令端K1发出截断积分开关S1指令，同时发出采样开关S3的指令，积分电容器CF两边的积分电压值VFf被采样电容采集。
(5)采样保持器BCQ维持采样电容C2的电压，使保持器BCQ电压等于积分电压。
(6)将保持器BCQ电压输入模数转换器后，转换成数字量。
将积分时间t固定为T,积分关系式就简化为VFf与RFCF成反比的关系式为：
积分电容器CF两边的积分电压VFf值的大小与被测电容器容量CF大小成反比，反过来根据电压VFf值的大小即可知道积分电容器CF的容量大小。
将模数转化器转换成的数字量输入到STM32F103单片机在对给定数据进行计算得到风向数据，并将风向数据通过电性连接，传送到LCD液晶显示屏进行显示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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