一种自动控制升降横臂的风杆装置设计

摘"要：本文设计了一种利用步进电机技术的自动控制升降横臂的风杆装置。该装置设计采用单片机作为核心处理器，根据风杆的高度与电机转动一圈的周长计算步进电机转动圈数，按照步进电机每步的角度进行控制即可实现电机启动后的自动停止。步进电机提供横臂升降的动力，同时添加手动模式，当电机故障导致风杆无法上升或下降时，可利用人力操作手动让风杆完成升降。本文所述装置安全系数高，便于现场使用，降低操作风险，避免多人协作以及人工攀爬方式，可以提高自动气象站完成风向风速传感器换检以及维修效率，对基层气象保障能力的提升具有重要意义。

关键词：步进电机技术；单片机；自动控制技术

中图分类号：P414.6""文献标识码：A

风向风速是地面观测中必不可少的观测要素，所有的国家级自动气象站和大部分省级区域自动气象站都开展风向风速的测量［1］。目前，吉林省气象部门使用风杆或风塔搭载风向风速传感器的方式，气象自动观测站现用的风杆或风塔高10米，上接接闪器，总高共计11.5米左右［2］，在设备日常维护或定期检修时，需要多人协作才能将风杆放倒，风塔需要采用人工攀爬的方式，这就对工作人员及观测场尺寸有较高的要求。为此有必要探索一种利用自动控制升降横臂的风杆装置，利于风向风速传感器的日常维护，便于现场使用，降低操作风险。

1"系统总体设计方案

自动控制升降横臂的风杆装置作为机电一体化设备，采用模块化设计方案。以单片机为主控芯片，配有自动控制单元、升降牵引单元、磁吸固定单元等部分。通过单元间的协同配合，实现控制搭载风向风速传感器横臂的自动升降，同时添加手动模式，当电机故障导致风杆无法上升或下降时，可利用人力操作手动让风杆完成升降［3］。

2nbsp;硬件设计

升降风杆的硬件设计结构示意图如图1所示。自动控制升降横臂的风杆装置包括主体杆架（1）、电源模块（2）、自动控制单元（3）、手动操作杆（4）、升降牵引单元（5）、磁吸固定单元（6）。

如图2所示，本设计中的主体杆架（1）包括杆架体（11）、固定横臂（12）、接闪器（13）、下引线（14）、接地体（15）。接闪器（13）、下引线（14）、接地体（15）组成防雷系统，避免传感器遭直击雷；电源模块（2）分别为电机、磁吸固定单元和单片机供电；自动控制单元（3）包括单片机、电机、卷轴、电机开关、链条、拨片。电机与卷轴之间用链条相连，且带有拨片装置，剥离拨片即可实现电机与卷轴脱离。手动操作杆（4）与卷轴相连接，剥离拨片后可人工摇动控制移动横臂升降。

如图3所示，升降牵引单元（5）包括移动横臂（51）、传感器底座（52）、滑轮（53）、数据线（54）、钢丝（55）。传感器底座（52）焊接在移动横臂（51）上；数据线（54）与传感器底座（52）固定相连，用于风向风速传感器数据传输。

如图4所示，磁吸固定单元（6）包括上磁铁（61）、下磁铁（62）、磁吸开关（63）。上磁铁（61）与固定横臂（12）固连，下磁铁（62）与移动横臂（51）固连。静止状态时，上磁铁（61）与下磁铁（62）相吸引，以固定移动横臂（51）防止摆动与脱落。磁吸开关（63）通过自动控制单元（3）控制下磁铁（62）的通电状态，进而控制上磁铁（61）和下磁铁（62）的吸放，进而控制移动横臂（51）在竖直方向的升降［4］。

当操作者按下电机开关时，电机通电，触发单片机接收到下降信号，下降信号控制电机转动收线，释放移动横臂，启动电机，电机同时驱动牵引两排滑轮和卷轴的传动，使钢丝及数据线收紧，带动移动横臂下降，收紧至底部或故障报警时自动停止。当操作完成后，关闭电机开关，触发单片机接收到上升信号，步进电机反向转动放线，等待移动横臂上升至原位。当操作者按下磁吸开关时，触发单片机断开下磁铁的通电状态，关闭即恢复通电。

3"软件设计

本设计以单片机为核心控制各个模块的启动和停止，采用大功率MOS驱动电机，同时单片机通过串口接收控制信号，包括转速大小、步数、开机停机信号、电机旋转方向等，实现实时通信。

3.1"开发环境

可采用现在最流行的单片机集成开发环境Keil"uVision3，把源程序编辑、编译、调试、下载、运行等操作全部集中在一个环境下进行，包括设定电机的预置步数、运行方式、转速等［56］。可根据风杆的高度与电机转动一圈的周长计算步进电机转动圈数，单片机按照步进电机每步的角度进行控制，即可实现电机启动后的自动停止。

3.2"控制电机的思路

利用封装函数控制单个电机正转、反转，并且能够配速，电机的转速与脉冲频率成正比，电机转过的角度与脉冲数成正比。因此，控制脉冲数和脉冲频率就可以精确调速。步进电机的转速与频率的关系如下：

W=f×60360°T×x

式中，W：转速；f：频率；x：驱动器细分倍数；T：电机步距角。

3.3"程序设计

对STM32F103C8T6单片机驱动通用42步进电机（步距角1.8°，相数为2，转子齿数50，双拍制）的程序进行设计和调试。以下展示部分程序：

4"实验结果

但由于时间与经费的原因，实物尚未开始制作，未来将进一步实施。

结语

本文利用步进电机设计一种自动控制升降横臂的风杆装置，用软件达到了对步进电机的精确控制。装置设计全面便捷，安全系数高，便于现场使用，降低操作风险，可以提高自动气象站完成风向风速传感器换检以及维修效率，对基层气象保障能力的提升具有重要意义。

参考文献：

［1］刘昕，边泽强，李松奎.自动气象站风向风速仪现场校准方法研究［J］.计量与测试技术，2015，42（08）：78+10.

［2］赵宇亮.一种自动升降风杆：CN2104"65726U［P］.20200505.

［3］刘树峰，苏轶，张宁，等.移动气象台的常见问题分析［J］.山东气象，2010，30（04）：4648.

［4］黄辉，李清双.一种磁吸升降组件：CN212534326U［P］.20210212.

［5］衡蜓.基于C8051F040单片机的步进电机驱动控制系统设计［D］.太原：太原科技大学，2011.

［6］刘春桐，何祯鑫，黄先祥，等.基于C8051F120单片机的混合式步进电机驱动系统设计［J］.现代科学仪器，2013（03）：7275.

作者简介：赵丹阳（1996—"），女，汉族，吉林长春人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：仪器计量检定。