基于單片機的風能密度測試儀設計

張浩然，肖東岳

（南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南南陽，473004）

0 引言

近年來，由于科技的發(fā)展和提高，各國能源的消耗也是日益增多，不可開再生的能源被逐步消耗。人們?yōu)榱碎L久的發(fā)展和可持續(xù)性發(fā)展，便把目光投向了可再生能源，其中風能是主要代表之一。判斷一個地區(qū)是否有開發(fā)風能的潛力的一個重要的參數(shù)就是風能密度。風能密度測試儀應該盡量選用有較高測量精度、測量范圍較廣、能夠在各種惡劣環(huán)境中正常運行的相關(guān)設備，并且也要選用市面上經(jīng)常用到的穩(wěn)定性較好的材料來組成電源、通信以及數(shù)據(jù)存儲設備。

1 系統(tǒng)總體設計

衡量一個地方風能大小、評價一個地區(qū)風能潛力，風能密度是最方便和最有價值的考察參數(shù)。風能密度是空氣在單位時間內(nèi)垂直通過單位截面積所產(chǎn)生的能量[1]。風能密度的單位為瓦每平方米，其公式為：

其中w為瞬時風能密度，ρ為空氣密度，v為瞬時風速，p為大氣壓強，V為氣體體積，n為氣體分子物質(zhì)的量，R為普適氣體常量，T為熱力學溫度，m為氣體質(zhì)量單位為千克，M為氣體的相對分子質(zhì)量。

由公式(1)(2)(3)可得：

由此可見M和R為已知常量，所以測量出壓強p和熱力學溫度T即可，經(jīng)過整合后有

其中k為常量。

綜上，要想獲得風能密度需要測量三個物理量，即氣壓氣溫和風速。系統(tǒng)設計方案的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計方案整體框圖

2 系統(tǒng)各單元硬件選型與設計

2.1 單片機控制電路設計

單片機的選型決定了整體系統(tǒng)的性能以及工作速度，考慮到工作效率、存儲空間和掉電保存功能，本設計中選用的單片機型號為STC89C52。STC89C52單片機是宏晶科技公司推出的一個功耗較低、性能優(yōu)越的單片機，它使用了經(jīng)典的MCS—51內(nèi)核，可以當作一般的51單片機使用[2]。

2.2 氣壓溫度測量模塊電路設計

由于測量實時氣壓的同時還要測量實時溫度，故采用BMP180帶有溫度數(shù)據(jù)采集的氣壓傳感器模塊。BMP180可以通過I2C總線直接與各種單片機相連接。BMP180芯片中包含有電阻式壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制單元，其中控制單元包括儲存有176位標準數(shù)據(jù)的EEPROM 和 IIC 接口。在本設計中所測得的氣壓和氣溫的數(shù)值就需要用BMP180芯片內(nèi)部的 EEPROM 中的標準數(shù)據(jù)進行補償[3]。該模塊1、2兩個引腳分別接電源正極、電源負極，由于3、4兩個引腳為串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線，所以分別接到單片機的P2.0和P2.1口。在本設計中上拉電阻選用10kΩ電阻。

2.3 風速測量模塊電路設計

風速模塊用來測量實時風速，本設計選用YGC—FS風速傳感器，其工作電壓為5V。由于風速傳感器2號引腳為脈沖引腳，用來傳輸信號，風速傳感器的脈沖引腳連接單片機的外部中斷引腳，在中斷服務程序中進行脈沖計數(shù)，便可以得到風速。風速傳感器的2號引腳直接與STC89C52單片機的P3.2引腳連接，通過外部中斷的方式記輸出脈沖，再轉(zhuǎn)換成具體風速數(shù)值。

2.4 液晶顯示模塊電路設計

為了使監(jiān)測人員能夠直觀的查看到風能密度的數(shù)值，所以選擇了功能較多、顯示效果較好的LCD1602來完成本設計的顯示，LCD1602工作在5V的電壓之下。LCD1602的8位數(shù)據(jù)口D0—D7與P0.0—P0.7相連。VL引腳是用來調(diào)節(jié)背光的對比度，要和電位器相連接，通過扭動電位器來調(diào)節(jié)背光亮度[4]。在本設計中選用了10kΩ可調(diào)電阻；RS、E這兩個控制信號引腳分別和P2.6、P2.7、相連；由于只用到向LCD1602寫入數(shù)據(jù)，所以R/W引腳直接接地。

3 系統(tǒng)各單元軟件設計

3.1 主程序設計

在主程序中主要任務是進行各個模塊的初始化操作，首先裝入初始值，再開定時器及外部中斷，進入大循環(huán)等待一秒定時的到來，以此用來記錄風速傳感器的脈沖數(shù)。讀取傳感器測出的溫度和壓強，并對其進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，對風速傳感器的脈沖計數(shù)并進行數(shù)據(jù)的計算,計算風能密度。在測試儀工作時，計數(shù)總時間以及達到設置的風能密度的時間，刷新液晶顯示。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 BMP180模塊程序流程圖

3.2 氣壓溫度測量模塊程序設計

單片機發(fā)送啟動信號開始測量氣壓和氣溫，經(jīng)過轉(zhuǎn)換時間4.5ms后，其所得結(jié)果便可由I2C接口讀取。此時的溫度和壓強的單位不是標準單位，這時就要調(diào)用EEPRPM中的標準數(shù)據(jù)，便可把溫度的單位轉(zhuǎn)換為攝氏度，壓強的單位轉(zhuǎn)換為帕。BMP180模塊程序流程圖如圖3所示。

3.3 風速測量模塊程序設計

首先初始化定時器，裝入初值并開啟定時器中斷，然后開啟外部中斷，在外部中斷中記錄脈沖數(shù)，定時器中斷達到20次即一秒時讀取脈沖數(shù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再清空脈沖數(shù)。當脈沖信號頻率為零時，風速示值也為零，當脈沖信號頻率不為零時，風速示值為0.1+0.0875×脈沖信號頻率[5]。風速模塊的程序流程圖如圖4所示。

3.4 液晶顯示模塊程序設計

LCD1602顯示的字符儲存在內(nèi)部的DDRAM存儲器中，DDRAM字節(jié)地址空間為0x80到0xFF，一共有128個字節(jié)，其中第一行顯示的數(shù)據(jù)儲存在前64個字節(jié)中，第二行顯示的內(nèi)容儲存在后64個字節(jié)中，寫入其中的字符用ASCII碼來表示。LCD1602液晶的讀操作流程為首先判斷RS電平來確定是讀數(shù)據(jù)還是讀指令，RS為低電平時為讀指令，RS為高電平時為讀數(shù)據(jù)。讀命令是指讀忙標志或地址，數(shù)據(jù)的讀取是從1602的RAM中讀出。液晶顯示模塊的程序流程圖如圖5所示。

圖4 風速模塊的程序流程圖

圖5 液晶顯示模塊的程序流程圖

4 結(jié)論

在經(jīng)過硬件電路調(diào)試，確認各個部分模塊工作沒有問題后，將程序通過燒錄軟件下載到單片機上，通電進行系統(tǒng)調(diào)試，顯示值與手動計算與大致相等。

基于單片機的風能密度測試儀可使測試者更方便、更直觀的獲得所在區(qū)域的風能密度情況，以及顯示出超過某一設定的風能密度所累計時間，這是考察一個地區(qū)風能潛力的重要依據(jù)之一。