基于51單片機(jī)的風(fēng)速風(fēng)向采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林梅輝

（福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建 福州350003）

05106型風(fēng)傳感器專用于海上和航海對(duì)風(fēng)的測(cè)量，傳感器有專門的防水軸承潤滑劑，一個(gè)密封重型電纜尾取代了標(biāo)準(zhǔn)連接盒，提供單獨(dú)的電壓或電流輸出信號(hào)調(diào)節(jié)。

風(fēng)速傳感器是一個(gè)4片螺旋推進(jìn)器，推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)AC正弦波電壓信號(hào)，頻率與風(fēng)速直接成比例，移除了集電環(huán)與電刷以增加可靠性。

風(fēng)向傳感器是一個(gè)牢固且重量輕的風(fēng)向標(biāo)，具有足夠低的縱橫比以保證在搖動(dòng)有風(fēng)條件下有較好的保真度。其通過一密封的精密電位計(jì)來感知葉輪角。一個(gè)已知的激勵(lì)電壓作用于電位計(jì)，輸出電壓直接與葉輪角成比例[1]。

1 采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，調(diào)試軟件通過串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，使整個(gè)系統(tǒng)能夠完成正常采集和顯示功能。風(fēng)傳感器將獲取的風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路后連接至單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，將最終得到的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)用LCD顯示出來。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)、信號(hào)處理電路和顯示模塊組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電源模塊

2.1 220 V交流電轉(zhuǎn)換12 V直流電

如圖2所示，變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為16 V交流電，橋式整流電路將16 V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過電容電感濾波后得到大約16 V直流電[2]。使用7812電源芯片將16 V直流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電。這個(gè)12 V直流電將為05106風(fēng)傳感器供電。硬件部分使用一個(gè)開關(guān)控制電源的通斷，使用發(fā)光二極管更直觀地檢查硬件通電情況，方便系統(tǒng)的維護(hù)。

2.2 12 V電壓轉(zhuǎn)5 V電壓

使用7805電源芯片將12 V直流電轉(zhuǎn)換為5 V直流電，這個(gè)5 V直流電將給單片機(jī)和顯示模塊供電。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 12 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

3 微處理器模塊

本系統(tǒng)采用ATMEL的AT89C51型單片機(jī),它是一種低電壓、高性能8位CMOS微處理器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

AT89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4 KB Flash閃速存儲(chǔ)器，128 B內(nèi)部 RAM，32個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，它可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

4 信號(hào)處理模塊

4.1 風(fēng)速處理電路

風(fēng)吹動(dòng)05106型風(fēng)傳感器，帶動(dòng)扇葉的旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)速信號(hào)的引腳端口輸出一個(gè)正弦信號(hào)，其頻率與風(fēng)速大小成正比，通過測(cè)量脈沖頻率即可得到風(fēng)速大小。風(fēng)速與對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中，V為風(fēng)速，單位 m/s，F(xiàn)為頻率，單位 Hz。

風(fēng)傳感器輸出正弦信號(hào)的幅值最小為80 mV(風(fēng)速0.49 m/s時(shí))，最大為 8 V(風(fēng)速 49 m/s時(shí))。 此信號(hào)不能直接輸入單片機(jī),需要在輸入端接共射級(jí)放大電路，對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，將電壓幅值調(diào)整到單片機(jī)允許的輸入電壓范圍內(nèi)。由于共射級(jí)放大電路的最大輸出電壓不超過電源電壓，經(jīng)共射級(jí)放大電路放大后，信號(hào)變?yōu)閱纹瑱C(jī)允許輸入電壓范圍的正弦波，再將此正弦波接到施密特觸發(fā)器74HC14進(jìn)行整形濾波，轉(zhuǎn)換為幅值固定的方波脈沖信號(hào)[3]。此信號(hào)接入單片機(jī)，由單片機(jī)端口中斷功能對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量出頻率，從而測(cè)量出風(fēng)速。圖4所示為風(fēng)速處理電路圖。需要注意的是，制作PCB板時(shí)，還需對(duì)圖中74HC14重新選擇封裝。系統(tǒng)以采集到的10 min平均風(fēng)速作為整點(diǎn)時(shí)刻的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

圖4 風(fēng)速處理電路圖

4.2 風(fēng)向處理電路

圖5所示為風(fēng)向處理電路，風(fēng)向信號(hào)通過一個(gè)10 kΩ的電位計(jì)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。電壓大小與風(fēng)向激勵(lì)電壓大小有關(guān)。將風(fēng)向輸出范圍通過兩個(gè)電壓跟隨器和電阻分壓進(jìn)行調(diào)整，再通過ADC0809進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后與單片機(jī)P0口連接，通過式(2)轉(zhuǎn)換為方位角[3]。系統(tǒng)以采集到的10 min平均風(fēng)向作為整點(diǎn)時(shí)刻的風(fēng)向數(shù)據(jù)。

式中，α為角度，u為電壓。

圖5 風(fēng)向處理電路圖

5 串口連接

系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，上位機(jī)和下位機(jī)通過RS232進(jìn)行測(cè)試。PC與RS232兩者電氣特性不匹配，為了實(shí)現(xiàn)兩者通信，需要通過MAX232解決電平轉(zhuǎn)換問題[4]。如圖 6所示，外接電容用于電源電壓變換，提高抗干擾能力[5]。

6 LCD1602連接

圖6 RS232串口連接圖

LCD1602是一款專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。顯示的內(nèi)容為16X2，它功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。單片機(jī)P1.2～P1.4口通過控制LCD1602的 RS（寄存器選擇）、RW（讀寫信號(hào)線）和 EN（使能端）的時(shí)序，完成數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。在系統(tǒng)中加載顯示模塊，減輕了日后技術(shù)人員外業(yè)維護(hù)的工作量。

7 軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)速風(fēng)向采集系統(tǒng)主要采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體構(gòu)架圍繞主要測(cè)試功能來設(shè)計(jì)，主要分成4個(gè)部分：(1)系統(tǒng)初始化，包含了處理器和液晶顯示屏的初始化等；(2)數(shù)據(jù)采集，負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換后的風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)的處理和分析；(3)等待中斷，通過設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器檢測(cè)固定時(shí)間段的風(fēng)信號(hào)；(4)屏幕顯示，將處理后的數(shù)據(jù)通過液晶屏顯示出來。其主要流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

8 上位機(jī)軟件

上位機(jī)用Visual Basic6.0編程軟件完成監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。Visual Basic6.0既承載了其先輩所具有的程序設(shè)計(jì)語言簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，其編程系統(tǒng)又引入了面向?qū)ο蟮臋C(jī)制，提供了一種可視界面的設(shè)計(jì)方法[6]。軟件除了使用常用的控件外，還需添加3個(gè)控件完成上位機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)。在“工程”菜單下選擇“部件”，添加MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信，添加FlexGrid控件實(shí)現(xiàn)用VB加載Excel對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，添加winsock控件實(shí)現(xiàn)用網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)監(jiān)控

本設(shè)計(jì)采用了AT89C51單片機(jī)，系統(tǒng)開發(fā)周期短，功耗低，電路簡(jiǎn)單實(shí)用。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)能夠精確采集風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)。系統(tǒng)功能可以繼續(xù)完善，例如通過加載MT8900-GPRS無線通信模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)。

[1]山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所.大型海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)手冊(cè)之二——傳感器技術(shù)手冊(cè)[S].2009.

[2]王梟，林平分.基于電力線通信的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13(7)：72-75.

[3]方芬，潘文亮，劉軍亮，等.高精度海用風(fēng)傳感器接口設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集[J].儀表技術(shù)，2010，12(12)：68-70.

[4]曾粵，劉妍.基于RS232接口的稱量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電氣時(shí)代，2011(2)：92-93.

[5]葛磊蛟，毛一之，李歧，等.基于 C語言的RS232串行接口通信實(shí)現(xiàn)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(6)：11-16.

[6]周垚，魏晉宏.基于MSP430單片機(jī)的礦井水文測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(7)：95-98.