这个设计精巧的电路非常适合于那些热心观测气象，特别是关注风速与风向的人们。仪器巧妙之处是：风向和风力的测量使用同一个传感器。即带有一个小尾舵的3翼片的旋转风速计。
这种特别设计的组合型传感器的一大优点是：风速计的结构比传统的仪表简单得多。从而大大减少了部件磨损和断裂损坏的风险。仪器将风向和风速读数显示在一个液晶显示器上。同时，也可以通过串行接口与PC或NMEA兼容型的航海仪表连接。
传统的风速／风向计，即使装在一个外壳中，也要使用两个不同的传感器。风速计功能的几种解决方法已经很常见，包括一个光学传感器、发送器和弹簧接触器。而最典型的设计是由带有3个半球型扇叶的转子组成，在通过霍尔传感器时会引起小量的磁场变化。本 项目中使用的传感器型号为UGN3503，能够提供每高斯1 mV的电压变化。这种后面将在图中讨论其细节的传感器，可以防止水和灰尘侵入，并且可以整体密封起来。其消耗能量很少，而且不会象弹簧开关那样，会引起较大的电子噪音。
风向计通常可以使用一个电位器和光学格雷码编码器来实现。但在这里。使用直线型的霍尔传感器也是很好的选择。本文介绍的电路是一种Rotavecta式风速计系统的简化版本。其最大的优点来源于在总体结构上减去了用于风向测量的机械部件。仅留下了3个扇叶的风速测量部件。
基本原理
系统的关键点是：在转子上的某个半球型的扇叶上有一个小的风向舵。在风速计旋转中，这个风向舵根据其与风向的相对位置不同。便产生加速度或减速度。如果我们假设一个与风向有关的参考角度(在固定部件上)，使用两个互成90角的传感器，就能够判定风的方向。其计算方法是：首先测量(每个传感器)在转子转动一周中各传感器的速度平均值。而风向的每次变化将会引起两个传感器平均值的变化。然后对照与两个输入信号对应的角度参考表。微处理器就能够计算并显示风向的角度(以度表示)。由于在本风速／风向计系统中，两个霍尔传感器能提供与磁场变化成比例的电压值。每个传感器都提供类似于正弦波的电压(见图1)。其频率会随风速的增加而增加。而其平均值则可以直接指示出风的方向。
框图
结构细节显示在框图(图2)中。起始点是一对霍尔传感器,互成90角安装。两个线性放大器，每个传感器一个。用于调整传感器信号，然后加到ADC(模／数转换器)风速测量电路，再加到微处理器中。限制器用于防止在PIC16F876的数据采集/比较输入端过载。微处理器还用于驱动LCD。同时可以输出一个与NMEA兼容的串行信号。可以送到PC机或类似的导航仪表中。框图中所涉及其他相关问题，将结合电路图加以讨论。
图3中的电路原理图并不算太复杂。电路的核心部分是由微控制器PIC16F876和一个两路线性放大器芯片组成。从本文最后给出的网站上风速测量电路，能够下载关于PIC系列的资料。这里使用的PIC处理器带有闪存，并且可以通过串行口进行简单编程。在板上，可以看到一个10位的ADC，带有两个输入口。与采集／比较模块一样，有一个输入口用于测量参考信号的周期。使用线性放大器IC1(LM358)的信号放大级来将PIC内置的ADC调整到最佳效果，以决定输入的时间间隔。两个UGH3503传感器IC5和IC6是通过4线连接器接到主板上的。
石英晶体×1和两个小负载电容一起，产生16MHz的时钟频率。连接器K1使电路可以通过串行口连接到PC机上。LCD驱动电路使用的R／W信号和Enabel(使能)信号和RS(复位)信号都在连接器K2上。在目前情况下，只需要4根数据线，因为LCD以4位模式工作。跳线JP1和JP2用于选择两种工作模式：NMEA模式使用JP1；ETAL模式使用JP2。
板上电源通过12V直流适配器从市电得到其初始电压，作为代换，也可以用9V电池来为系统供电。在那种情况下，C7和稳压电路IC3可以省掉，同时在正常的781—08的安装孔，输入和输出脚之间加一连接导线。
图4给出了组装好的电路板的外观。而布线情况可以在PCB板背面看到。电路板包括主板和传感器板两部分。板子细长的形状是为了使它能够安装到32mm直径的PVC管子当中去。可直接安装在传感器的下面。注意：这里的可调电位器P1～P4都能够从上面够得着。各元件在板子上的实际位置图上是很清楚的。安装时，最好先从小元件开始焊接。×1是一个装在小外壳中的石英晶一旦TUNE软件开始运行，就可以开始收集 校准数据。PIC是元件中最昂贵的，因此，最好 安装在高质量的插座上。
霍尔传感器适当地安装在一个小圆形电路板上。它是从主电路板上切割下来的。各传感器需要精确地安装在同样高度上。然后将电路板装在PVC管开口的一端。再用环氧树脂将另一端封住。主轴使用3mm的金属杆做成的。装在滚珠轴承或特氟隆轴承上。在样机中，我们用树脂胶将小块磁铁粘到轴上，同样粘上滚珠轴承。转子和它的3个半球型的风扇叶必须紧紧地固定在轴上。这样的转子可以从特定的自动化商店作为剩余品购得。转子的3个半个乒乓球形的结构作起来是不容易的，可能遇到的一个意想不到的困难是：需要达到准确的机械平衡。而这一点很难达到，因为在其中一个 ANEMO软件运行的实例。其值会以类似形式显示在LCD显示器上半球形扇叶上带有一个尾翼。
程序
使用适当的编程器，可以将VE16MPU.hex程序包(inhx8格式)下载到PIC芯片中。
在PC中运行的程序是TUME和ANEM，它是用Dlshi语言编写的。分别用于提供风速／风向调节和PC的输出显示等功能。具体方法在下面‘调整’一节还要加以讨论。
放大器调整
接通电源开关之后需要做的第一件事就是调整4个多圈预置电位器P1～P4。调整的要求是：使得IC1a和TC1b的输出信号能够覆盖O．5～4．5V的范围。调整工作需借助于脉冲示波器或TUNE软件来进行。使用示波器时，需密切观察在IC1的1和7脚上的信号，同时使风速转子转动起来，比如使用吹风机来吹动它。这时调整P1和P4以改变放大倍数；调整P2和P3以改变偏置；从而得到最好的性能。要确保正弦波信号保持在0．5～4.5V之间并且没有被限幅削波。调整目标是达到图1中所示的最佳状态。如果你没有示波器，可以用PC机和软件代替它。TUNE软件的MIN／MAX函数能够提供根据测量值画曲线的功能。这需要用两个操作仪表接到PC机上。在启动程序之后。单击‘MIN／MAX’按钮，然后开始观察，‘MIN／MAX’信号会在几秒钟后出现。
风速值调整
风速计对转子的转速进行测量，然后进行计算，公式如下：
速度=K 风速／周期
显示的速度值取决于常量K。其默认值为35500。程序TUNE计算的常量的调整基于测量的速度和实际速度之间的比较(例如可以借助于一个汽车的速度表来获得)。速度系数K风速的调整(在．HEX文件中的初始值在必要时可以修改)可以简化为用(a)显示在LCD上的速度与(b)实际速度和(c)已经存放到存储器中的速度相比较。但不管那种情况，首先都需要从PIC中读出。程序TUNE接着将显示。‘x．y(z)’，在这里 z=速度系数=v+256x
传感器标定
由于磁铁在受力的大小和方向上会有差别。所以我们不得不对每个UGN3503传感器芯片分别做标定曲线。这个过程使得能够得到较高的风速测量精度。由吹风机产生的气流对于进行精密的风向测量来说显得太集中了，不象真的气流会有变化。
在这里我们可以借助于调整软件的帮助。为使系统具有计算风向的能力，每个传感器要连接到可取72个采样值(每5-步)的检查仪表上。调整程序为每个曲线提供8个插值点，所以总共需要16个值。换句话说，就是：每隔45角需要测量两个点。标定的方法可以采取在两次测量之间使风速计转动45。同时必须保证读数稳定。其值在READ PIC命令之后可以在LCD或PC机显示器上连续观察(借助于COM口)。此值还需要输入到类似图5所示的那种表里。一旦这个表格完成，函数‘Curve’(曲线)就能够在16个精确测量值的基础上计算出所需要的72个值。接着就可以使用两次这72个值来画出曲线。
实际应用
在必须进行一些平均值的测定的初始化阶段之后，风速与风向仪会以与NMEA输出同样的格式向LCD传送其数据。虽然NMEA0183(或NMEA183)标准陈旧了一些，但也还是经常可以看到它应用于航海电子设备中。在本应用情况下，NMEA的语句应为：
＄WIVWR,dir.L.vit,K
在这里‘$WIVWR’的意思是气象仪器，VWR是风速计信息的标准字头；‘dir’是以度表示的风向；而‘vit’是以km／h(千米／小时)表示的风速。软件ANEMO使得这些内容能够实时地显示在PC机的屏幕上。
很明显。这一台风速／风向仪的结构研制和调整要求一些机械方面的知识。但只要细心校准后，这台仪器会以其非常有效的工作给以你极好的报答和惊喜。
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