一種教學實驗用風速測量系統的設計

[摘要]本文利用溫度傳感器實現了風速的測量，原理簡單，易于實現，且精度和靈敏度高，可靠性高，在實驗教學中取材方便，并且可以實現功能擴展，從而達到實際應用。

[關鍵詞]溫度傳感器 風速檢測 風速傳感器

風速檢測在環保氣象、工業設備、采礦安全、衛生保健等諸多領域都具有十分重要的意義。隨著我國風力發電事業的發展、檢測技術的進步以及人們對環境要求的提高，人們對檢測儀器測量精度和功能的要求越來越高。本文根據教學需要，開發出了教學實驗用的風速測量系統，采用熱電偶溫度傳感器進行風速測量，原理簡單，成本低，易于實現，并且與單片機結合，可以實現數據存儲、歷史數據查詢、記錄打印、數據實時顯示、風速報警等諸多功能，靈敏度高，響應速度快，能夠很好地滿足教學實驗需要，并且可以實現功能擴展，從而向實際應用推廣。

一、風速傳感器

風速傳感器是用于測量空氣流動速度的傳感器。本文所設計的是基于熱電偶溫度傳感器的風速傳感器，它利用溫度傳感器的自身發熱為其提供工作環境溫度，而風流使熱電偶的工作環境溫度下降，導致輸出端熱電勢發生變化。熱電勢的變化值是風速的函數，因此，我們可以通過測量熱電勢的變化值計算出此時的風速。

我們可以通過查表的方法根據某時刻熱電勢的值直接得出對應的風速值，這種方法比較準確，可以快速地得出風速值，但是，需要建立龐大的數據庫，精度越高，需要的數據越多，數據越大又會導致反應時間減慢，從而影響風速傳感器的綜合性能。為此，我們在滿足精度要求的情況下，建立熱電勢與風速的函數關系式。由大量的實驗數據得出，風速的對數值與熱電勢近似成線性關系。如圖1所示。為了提高測量精度，我們采用參考文獻1中介紹的分段插值計算的方法，即先將曲線分段，用一個函數擬合，然后根據所測的熱電勢的值判斷它屬于曲線的哪一段，從而用該段的插值公式計算出相應的風速值。

二、風速檢測電路

風速輸出信號為交變正弦模擬信號，一般情況下在0-10V左右，輸出信號首先通過交流濾波電路，然后，經運算放大器LM158放大，其放大倍數可根據每個熱電偶的靈敏度進行調整，再經限幅電路、光耦隔離電路后，最后，通過施密特整形電路4098整形為單片機能夠識別的標準的脈沖量，接入單片機的計數口。風速信號通過上述轉換經過單片機采樣、計算、存儲等數字處理，并通過標準RS-232接口可隨時響應上位機的各種查詢輸出要求。

三、數據處理電路

處理電路的核心是單片機電路，本系統由80C51單片機，12位A/D轉換器AD574， RAM6264及可編程并行I/O接口芯片Intel8255，顯示電路，實時時鐘DS1287，微型打印機接口等部件。80C51單片機是TQFP封裝或LQFP封裝，所以體積非常小。且內部有程序存儲及數據存儲器、A/D轉換、電壓基準、看門狗、復位電路等許多外設，省去了許多外圍電路的空間和多余的功耗。80C51單片機承受的溫度范圍為：-45℃～+85℃，適合在野外工作。80C51單片機為3V供電，其本身為低功耗芯片。而且內部不用的外設可以關閉，這大大降低了系統功耗。另外，80C51單片機可以設置為等待或停機等方式。因此，完全可以滿足本系統的低功耗要求。

數據進入80C51后，80C51首先發出使AD574為數據輸出狀態的命令(即使CE=1、CS=0、R/C=1)，當80C51通過由P2口擴展的I/O口尋址8255，將轉換的數據讀入8255的C口和A口，經加工處理后被測風速被存儲并送LED顯示，或打印記錄。

實時時鐘選用了美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片。它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。上電時，單片機從DS1287中讀取現在的時間，由于有內置電池，DS1287一直在運行，保持時間和當前時間一致，當停電以后重新來電，可保持當前時間不發生改變。DS1287內部有一個128字節的RAM，用于設置寄存器和當前時間的實時更新。同時，當外部電源電壓低于3V時可自動切斷外部電源改由內部自帶的鋰離子電池供電。在內部鋰離子電池供電的情況下，時鐘仍然正常工作，并保證內部128字節RAM的內容在10年內不會丟失。

顯示部分由單片機和4個數碼管以及一片MAX7219組成。MAX7219是八位串行共陰LED數碼管動態掃描驅動電路。它可以在單片機三個I/O口的控制下完成對八位LED數碼管的顯示控制和驅動，線路連接簡單、控制方便，外圍電路僅需一個電阻設定峰值段電流。MAX7219有很強的驅動能力，驅動峰值電流可達40mA。此外，還可以通過軟件的方式改變其顯示亮度。更值得一提的是，該芯片還支持低功耗狀態，在關閉狀態下仍然可以在單片機的控制下接收數據或者更改控制方式，此時的芯片耗電僅為150uA。本電路中單片機使用P3.7、P3.6、P3.5三個引腳控制MAX7219．MAX7219外接四個共陰LED數碼管用于顯示時間。

本系統還可實現打印功能，打印機讀入鎖存選通信號STB是靠P2.5—P2.7擴展口地址(LS138-Y3)來控制的，聯絡信號BUSY、ACK及ERR分別連到P1口的P1.0～P1.2三條線上，8751采用查尋方式進行管理。

為了防止由于程序跑飛和電源故障引起的工作不正常，本系統設計了看門狗電路。該電路可以實現開關機時自動產生復位信號；提供手動復位輸入端；電源失效或低電壓告警；獨立的1.6s看門狗定時為等功能。在上電期間，當電源電壓超過復位門限后，電路產生一個至少140ms的復位脈沖；當掉電或電源波動下降到低于復位門限1.25V后也可以產生復位脈沖，確保任何情況下系統均能正常工作。當程序跑飛時，監控端輸出由高電平變為低電平，并保持在140ms以上，使其產生復位信號，同時看門狗定時器清“0”。

四、軟件編程

軟件編程主要有兩個任務，一個是對單片機完成初始化并實現要求的工作目標，另一個是完成DS1287的控制寄存器初始化。

單片機的軟件設計首先要完成各個模塊的初始化，初始化完成后單片機隨即按照用戶的要求工作。本系統需要初始化的模塊主要有系統時鐘頻率初始化、A/D采樣模塊初始化和I/O端口初始化。如果單片機受到嚴重的干擾而使系統無法正常工作，需要單片機立刻復位以免燒壞系統硬件，為了達到這個目的，我們在RAM 區中選擇幾個固定單元，在初始化程序中將其設置成固定的數據，如“55H”或“0AAH”等，只要程序正常運行，這些單元的內容是不會改變的。

完成了初始化后就要編寫相應的控制程序。控制程序的工作流程主要如下：單片機控制模擬信號進入A/D轉換器實現數據采集，單片機根據采集到的數據調用風速計算子程序進行風速的計算，計算的結果送入RAM單元，可以調用查詢子程序，查詢歷史數據；調用顯示顯示子程序，實時輸出計算結果；當風速超過一定的限值時，調用報警子程序，實現風速報警；調用打印子程序，可以實現數據打印。

五、軟件抗干擾設計

定時器的所使用的單片機一旦受到外界干擾導致程序跑飛將會出現各種不良后果。單片機要有良好的抗干擾能力，并且要有很好的穩定性。硬件系統是單片機系統穩定工作的根本，經常采用的方法有：改善系統的布局、布線，采用光電耦合器以提高強電與弱電的隔離度；在電源變壓器的初級增加濾波器；增加“硬件看門狗”等等。硬件抗干擾設計的缺點是增加了系統的復雜性，提高了硬件成本，而軟件抗干擾設計在不增加系統復雜性，不提高硬件成本的前提下，同樣可以在很大程度上提高系統的穩定性。本程序的軟件結構是由一個上電復位初始化程序、一個主循環程序、兩個中斷服務程序組成，在單片機的RAM區中設立一個位尋址區，在位尋址區中設立一些標志位，這些標志位分別代表不同的程序模塊，一個字節可以對應8個程序模塊。當某個程序模塊正在執行時，對應的標志位置1，不執行時對應的標志位置0，就可以知道當前正在執行的程序是哪一個模塊，當標志位的值與正在執行的程序模塊不一致時，我們可以肯定程序出現了“跑飛”，需要盡快進行錯誤處理，通過進一步的檢查還可以知道程序是從哪個模塊“飛”過來的。當檢測到程序跑飛后系統自動產生復位中斷，程序回到初始化狀態從新開始執行。用此種辦法可大大提高系統的可靠性。

六、結束語

本系統利用熱電偶溫度傳感器實現了風速測量，結構簡單、使用方便、價格低廉，且靈敏度高，響應速度快，可以在實驗教學中廣泛應用。除教學使用外，由于其輸出信號符合標準，也可以與計算機或其他儀器連接使用，進一步完善后，有望實現產品化并得以向實際應用推廣應用。

參考文獻：

[1]王旭東，邵惠鶴.基于神經網絡的通用軟測量技術[J].自動化學報，1998，24(5).

[2]洪水棕.現代測試技術[M].上海:上海交通大學出版社，2002.

[3]黃賢武，鄭筱霞，曲波.傳感器實際應用電路設計[J].成都:電子科技大學出版社，1996.

（作者單位：浙江理工大學信息與電子學院）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。