基于單片機(jī)的便攜式風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

許美玨

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信系，安徽 蕪湖 241002)

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基于單片機(jī)的便攜式風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

許美玨

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信系，安徽 蕪湖 241002)

摘要：介紹了一種便攜式風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)將STC89C52單片機(jī)作為控制核心,將風(fēng)速、風(fēng)向傳感器作為相關(guān)信息采集模塊，最終數(shù)據(jù)用1602液晶屏顯示，并給出了硬件設(shè)計圖和軟件流程圖.

關(guān)鍵詞：STC單片機(jī)；風(fēng)速；風(fēng)向；監(jiān)測

風(fēng)作為自然界的一種自然現(xiàn)象，它的存在是一把雙刃劍.人類可以利用這種無污染且可再生的資源來發(fā)電，可以有效緩解能源緊張、環(huán)境污染，這種新型的發(fā)電方式對于風(fēng)速、風(fēng)向的特性的監(jiān)測非常重要.而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對于風(fēng)的影響也是不得不考慮的問題，比如什么情況下可以撒播種子，什么情況下可以噴灑農(nóng)藥，要考慮風(fēng)的影響.因為風(fēng)的存在，農(nóng)作物間病蟲害會傳染.大風(fēng)天氣會使農(nóng)作物葉片受傷、農(nóng)作物倒伏、花落果落從而大大影響產(chǎn)量.而通過有效的風(fēng)速、風(fēng)向檢測大大減少風(fēng)力對植物的傷害，減少風(fēng)這種自然災(zāi)害對于農(nóng)田造成的經(jīng)濟(jì)損失.因此，對風(fēng)能的研究對人類生活的質(zhì)量改進(jìn)有非常大的意義，這就需要我們要有更好的方法去監(jiān)測風(fēng),從而更好地利用、研究風(fēng)能.

本文設(shè)計的系統(tǒng)是利用風(fēng)速和風(fēng)向傳感器來作為風(fēng)能信號的采集工具，采集來的模擬量的風(fēng)能信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路處理后送交給系統(tǒng)的控制核心STC89C51單片機(jī)來處理.單片機(jī)將最終處理完的結(jié)果即監(jiān)測的數(shù)據(jù)再利用LCD1602液晶屏顯示出來.該系統(tǒng)體積小，成本低，使用方便.圖1為便攜式農(nóng)田風(fēng)速風(fēng),向系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)計功能圖.

1風(fēng)速、風(fēng)向檢測工作原理及方法

本設(shè)計使用的EC9-1測風(fēng)傳感器具有很高的性價比(如圖2所示).該傳感器包括用風(fēng)杯測風(fēng)速的風(fēng)速傳感器、用風(fēng)標(biāo)測風(fēng)向的風(fēng)向傳感器以及對應(yīng)的支架.其材質(zhì)為碳纖維增強(qiáng)型塑料，具有很好的防腐能力同時動態(tài)特性得到改善.EC9-1系列傳感器的測試靈敏度很好、具有很好的動態(tài)特性和較寬的測量范圍，同時線性精度也很高，具有較好的互換性，對于強(qiáng)風(fēng)也有很好的適應(yīng)性，因此EC9-1系列傳感器的諸多優(yōu)點性能保證了其在工農(nóng)業(yè)、交通業(yè)、氣象等諸多部門的測量風(fēng)量的需要.

圖1　系統(tǒng)設(shè)計功能

圖2　EC9-1測風(fēng)傳感器

EC9-1型風(fēng)向傳感器支架除了用作固定風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器之外，電纜的轉(zhuǎn)接也在支架內(nèi)完成.該測風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速傳感器一般測出的是水平風(fēng)力的強(qiáng)度，其測量單位是“m/s”.而風(fēng)向傳感器用來測量風(fēng)的方向，其測量單位是“度”.該傳感器的主要性能指標(biāo)如表1所示.

表1　測風(fēng)傳感器主要性能指標(biāo)

1.1風(fēng)速測量方法

圖3　格雷碼光電碼盤

風(fēng)速的測量是通過風(fēng)速傳感器采集信號，相應(yīng)的感應(yīng)元件是一種三杯式的風(fēng)杯，將采集的風(fēng)力信號通過信號變換電路(霍爾集成電路)變換處理后，得到很多脈沖，通過脈沖的個數(shù)來判斷風(fēng)力的強(qiáng)度.[1]具體的工作過程是：系統(tǒng)通電后，風(fēng)杯組受到水平風(fēng)力的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸又帶動相連的磁棒盤旋轉(zhuǎn).由于有數(shù)十只小磁體被裝在磁棒盤上，當(dāng)磁棒盤旋轉(zhuǎn)時其上面的小磁體恰好正對霍爾磁敏元件3144LU時，3144LU就會導(dǎo)通并由OUT端輸出低電平信號，之后隨著磁棒盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，小磁體又偏離3144LU導(dǎo)致3144LU截止，并在OUT端輸出高電平，從而在OUT輸出端采集到一個脈沖，當(dāng)水平風(fēng)力強(qiáng)度越大，每秒采集到的脈沖數(shù)就越多，產(chǎn)生的脈沖信號頻率會隨著風(fēng)速的增強(qiáng)而呈線性地增加，這樣風(fēng)速的計算就轉(zhuǎn)換為脈沖頻率的計算.相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路中VCC的工作電壓采用+5 V，GND表示接地的接頭裝置，OUT端為數(shù)據(jù)輸出端口.將每秒鐘采集的脈沖個數(shù)除以10得到的結(jié)果即為測得的風(fēng)速.例如，每秒采集的脈沖數(shù)為54，則此時測得的水平風(fēng)速瞬時值應(yīng)為5.4 m/s.

1.2風(fēng)向測量方法

通過單板式風(fēng)向標(biāo)來作為EC9-1風(fēng)向傳感器進(jìn)行風(fēng)向的測量，該單板式風(fēng)向標(biāo)前端裝有輔助標(biāo)板.風(fēng)向角度變化的檢測是通過七位格雷碼光電碼盤進(jìn)行的，該碼盤如圖3所示.碼盤最外圈進(jìn)行了127等分處理從而能夠感應(yīng)到128個不同風(fēng)向，因而其分辨率為2.812 5°.

具體的工作過程是：進(jìn)行風(fēng)向測量時，風(fēng)向標(biāo)在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)并帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸又帶動光電碼盤旋轉(zhuǎn)，每當(dāng)旋轉(zhuǎn)了2.812 5°后，就會有一組新的七位并行格雷碼從碼盤上下側(cè)的七組發(fā)光與接收光電組件產(chǎn)生，并經(jīng)過整形、倒相電路后將信號輸出.

在風(fēng)向測量電路中,Vcc接+5 V電壓，GND與地連接.其中D1至D7是相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，測量時所采用的是二進(jìn)制方式，注意讀取的數(shù)值并非風(fēng)向的直接結(jié)果，需要將讀取的二進(jìn)制信息通過查詢格雷碼表(如表2所示)才能得出風(fēng)的實際方向.[2]

表2　風(fēng)向判斷對照表

2硬件電路設(shè)計

本設(shè)計包含的硬件有：檢測模塊包括風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，顯示模塊1602液晶屏，供電單元電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，晶振、復(fù)位電路以及STC89C51構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)，如圖4所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4　硬件電路結(jié)構(gòu)圖

圖5　電源電路模塊示意圖

2.1電源電路模塊設(shè)計

電源電路模塊為系統(tǒng)供應(yīng)電能，含有保護(hù)、濾波、穩(wěn)壓等作用，如圖5所示為電源電路模塊示意圖.電源電路模塊使用了集成電路LM317，這種集成電路所使用的電路形式是極為簡單的三端穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)，其能夠輸出連續(xù)可調(diào)的電壓因而被廣泛采用.[3]另外該電路同時還具有電壓調(diào)節(jié)范圍(可以在1.2 V~37 V之間調(diào)節(jié)，同時提供大于1.5 V的電流)、低噪音、穩(wěn)壓效果好、紋波抑制比高等諸多優(yōu)點.

2.2A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用了TLC549芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心芯片，該芯片產(chǎn)自美國德州儀器公司，其性價比非常高.該芯片工作時采用的是8位開光電容逐次逼近法來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換因而具有8位串行A/D轉(zhuǎn)換功能.一般工作狀態(tài)下其轉(zhuǎn)換時間小于18 μs，最大轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到40 kHz,因而工作效率非常高.該芯片內(nèi)部系統(tǒng)時鐘頻率為4 MHz，工作電壓介于3 V到6 V之間.CS、DATA OUT、CLK三條口線主要用于在系統(tǒng)中與CPU以及相關(guān)控制線進(jìn)行串口連接，該A/D轉(zhuǎn)換電路的誤差率很低，通常是介于-0.5 LSB~+0.5 LSB之間，其誤差率很低，范圍在±0.5 LSB之間，并且耗能很低其典型值為 6 mW，由于采用了差分參考電壓高阻輸入方式，因而具有很強(qiáng)的抗干擾性.圖6為A/D轉(zhuǎn)換器硬件連接圖.

圖6　A/D轉(zhuǎn)化器接線示意圖

2.3顯示模塊

本系統(tǒng)采用了LCD1602液晶屏芯片將測得的風(fēng)速、風(fēng)向值直觀地顯示出來，方便直觀地看到數(shù)據(jù).如圖7所示為1602芯片在電路中的連接方式示意圖.

3軟件電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)工作過程特點，該系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊等幾個部分進(jìn)行軟件設(shè)計.其中數(shù)據(jù)采集傳輸模塊流程圖如圖8所示，首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化，然后風(fēng)速、風(fēng)向傳感器在外力風(fēng)的作用下工作并將采集的信號送給單片機(jī)處理，單片機(jī)接收到串口的數(shù)據(jù)并判斷是否符合命令的數(shù)據(jù)，是則進(jìn)行相應(yīng)的命令分析，是屬于風(fēng)速還是風(fēng)向采集模塊，然后分別執(zhí)行相關(guān)的程序并將處理完的數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送出去.[4]如果不是符合命令的數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù).

圖7　1602液晶屏接線示意圖

圖8　數(shù)據(jù)采集傳輸模塊流程圖

4結(jié)果分析

在實驗過程中，通過相關(guān)設(shè)備來不斷改變風(fēng)力強(qiáng)度從而改變風(fēng)速，改變設(shè)備的位置來使風(fēng)向發(fā)生變化.這些變化的情況，被風(fēng)速、風(fēng)向傳感器采集到后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，送交單片機(jī)處理后將相應(yīng)的結(jié)果在液晶屏LCD1602上顯示出來.實驗表明不同方向上的風(fēng)速值在一定誤差范圍內(nèi)基本是相同的，誤差產(chǎn)生的主要原因是記錄數(shù)據(jù)存在誤差和外界風(fēng)力源因素，這些說明系統(tǒng)基本是穩(wěn)定可靠的.測量數(shù)據(jù)如表3所示，圖9為系統(tǒng)實物遠(yuǎn)景圖及數(shù)據(jù)顯示模塊圖.

表3　系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)

圖9　實物遠(yuǎn)景圖及數(shù)據(jù)顯示模塊圖

5結(jié)語

通常作為實際的農(nóng)田風(fēng)速風(fēng)向檢測用裝置需要具有較好的抗雷擊能力，且需觀測方便、性能穩(wěn)定可靠，安裝攜帶方便等.本文設(shè)計的風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)基本具有了所需功能.且該系統(tǒng)具有斷電保護(hù)、實時將風(fēng)速、風(fēng)向變化情況顯示出來.實驗證明本系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、實現(xiàn)容易，且測量數(shù)據(jù)有著較高的準(zhǔn)確性和可靠性.

[參考文獻(xiàn)]

[1]馮瀾，萬軍紅.風(fēng)速與風(fēng)力智能測定裝置的設(shè)計[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報，2005，8(3)：22-23.

[2]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程-入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]張偉，劉引龍.基于51單片機(jī)自動斷電插座的設(shè)計[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,17(4)：53-57.

[4]萬蓉鳳,修春波,盧少磊.基于ZigBee技術(shù)的風(fēng)速測量系統(tǒng)的設(shè)計[C].2013年中國智能自動化學(xué)術(shù)會議論文集(第四分冊)，2013-08-24.

[責(zé)任編輯王新奇]

Design of the Portable Wind Speed and Direction Monitoring SystemBased on Microcontroller

XU Mei-jue

( Department of Communication, Anhui Business College of Vocational Technology，Wuhu 241002, China )

Abstract：In this paper, a portable wind speed and direction detection system is introduced, and it uses STC89C52 microcontroller as the main part. The system uses wind speed and wind direction sensor as the data acquisition module and shows the final data on 1602 LCD. The hardware design and software flow chart are given in this article.

Key words：STC microcontroller; wind speed; wind direction; monitor

中圖分類號：TK81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：許美玨(1984—)，男，江蘇泗洪人，安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系助教，碩士，主要從事電子與通信工程，智能控制研究.

收稿日期：2015-10-15

文章編號：1008-5564(2016)01-0031-05