基于Proteus平臺(tái)帶存取功能的風(fēng)速風(fēng)向 測量儀的仿真研究

張志強(qiáng) 付佳 周文浩 鄒靜

摘 要：本文基于Proteus仿真平臺(tái)研究了一款風(fēng)速風(fēng)向測量儀。該測量儀以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控處理器，采用555時(shí)基振蕩器模擬風(fēng)速傳感器信號(hào)，通過設(shè)置時(shí)鐘源頻率調(diào)節(jié)風(fēng)速，采用ADC0832轉(zhuǎn)換芯片模擬采集風(fēng)向數(shù)據(jù)，采用24C02系列EEPROM存儲(chǔ)器存取風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)，最終在數(shù)據(jù)顯示終端LCD1602上顯示。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);555時(shí)基振蕩器;ADC0832

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0065-03

Simulation of Wind Speed and Wind Direction Measuring Instrument

with Access Function Based on Proteus Platform

ZHANG Zhiqiang FU Jia ZHOU Wenhao ZOU Jing

（School of Information Engineering， Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Based on Proteus simulation platform， a wind speed and direction measuring instrument was studied in this paper. STC12C5A60S2 MCU was used as the main control processor， 555 time-base oscillator was used to simulate the wind speed sensor signal， the wind speed was regulated by setting the clock source frequency， and ADC0832 conversion chip was used to simulate the acquisition of wind direction data， 24C02 series EEPROM memory was used to access wind speed and direction data， and finally displayed on the data display terminal LCD1602.

Keywords： single chip microcomputer;555 time base oscillator;ADC0832

風(fēng)作為一種自然現(xiàn)象，是影響氣候變化的最重要因素之一。本身又蘊(yùn)藏著巨大的能量，能對人類活動(dòng)產(chǎn)生重大影響。近年來，隨著人類對風(fēng)的認(rèn)識(shí)不斷加深，越來越多的場合需要對瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向值、平均風(fēng)速風(fēng)向值、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，如氣象（如臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)）、民航（飛機(jī)起飛、降落時(shí)風(fēng)的可靠數(shù)據(jù)）、公路、橋梁（建造公路、橋梁需要的風(fēng)參數(shù)）、新能源（風(fēng)能發(fā)電前期需要的風(fēng)數(shù)據(jù)）等領(lǐng)域[1]。因此，設(shè)計(jì)一款風(fēng)向風(fēng)速測量儀具有重大意義。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制核心，通過風(fēng)向采集模塊采集風(fēng)的流向，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊處理得到的模擬信號(hào)量，之后將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給STC12C5A60S2單片機(jī)，而風(fēng)速的采集是直接通過風(fēng)速采集模塊發(fā)送給STC12C5A60S2單片機(jī)的，在經(jīng)過STC12C5A60S2單片機(jī)處理后，將處理后的信息顯示在顯示模塊上[2-5]。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用的風(fēng)速風(fēng)向測量儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示，包含風(fēng)向采集模塊、風(fēng)速采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換處理模塊、STC單片機(jī)模塊、LCD顯示模塊等。

2 仿真設(shè)計(jì)

風(fēng)速風(fēng)向測量儀的整體仿真電路如圖2所示。

當(dāng)進(jìn)行仿真時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向模擬信號(hào)均需經(jīng)過單片機(jī)的處理，才能在LCD顯示屏上顯示測量出的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

A/D風(fēng)向轉(zhuǎn)換模塊采取外掛式，通過調(diào)試void AD_read（）、void AD_display（）AD程序模塊，將AD值均等轉(zhuǎn)換為0°～360°風(fēng)向值，并正常顯示在LCD1602的適當(dāng)位置。

調(diào)節(jié)可變電阻RV1，改變風(fēng)向度，信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，通過單片機(jī)處理后顯示風(fēng)向度數(shù)。

風(fēng)速脈沖信號(hào)是通過按鍵K1和K2進(jìn)行模擬產(chǎn)生的。首先，將K2鎖定并釋放K1，通過運(yùn)行void Timer0_isr（void）interrupt 1定時(shí)中斷程序和void EXIT0_isr（void）interrupt 0外部中斷程序，同時(shí)調(diào)整555時(shí)基振蕩器的主要元件R1、C1以及RV2的值，可使接收的模擬風(fēng)速信號(hào)在0～80m/s，并通過LCD液晶屏顯示出來。本仿真設(shè)計(jì)中，R1值為750Ω，C1值為1.5[μF]。其次，將K1鎖定并釋放K2，可切換到DC時(shí)鐘模式，此模式只需修改DC時(shí)鐘的頻率值即可調(diào)整其風(fēng)速值，該值為0～80m/s。

EEPROM存儲(chǔ)模塊也采用外掛式，通過調(diào)用寫函數(shù)void WriteSet（unsigned char add，unsigned char dat），可將風(fēng)向風(fēng)速值寫入24C02存儲(chǔ)器中。調(diào)用讀函數(shù)unsigned char ReadSet（unsigned char set_add），可將風(fēng)向風(fēng)速值讀出，此模塊只要寫入和讀出地址一一對應(yīng)，就可以正常運(yùn)行。

3 程序流程

主程序流程如圖3所示。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼9H_N）1Y（IR]1D{CTP5[NLCD.png>[開始][定時(shí)器初始化][LCD初始化][Flag=1顯示風(fēng)速][顯示風(fēng)向值][按鍵檢測][W=0存儲(chǔ)風(fēng)速風(fēng)向值][R=0讀取上次

風(fēng)速方向值并顯示3s]

圖3 主程序流程圖

該仿真風(fēng)速風(fēng)向測量儀的主要模塊是風(fēng)速信號(hào)采集部分，采用測頻法對輸入信號(hào)的頻率加以識(shí)別。

在本系統(tǒng)中，已知風(fēng)速為0～80m/s，所以T/C1編程為定時(shí)方式時(shí)，在12MHz晶振作用下，其最大定時(shí)時(shí)間為65.536ms，在計(jì)數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)定時(shí)器每隔50ms進(jìn)入一次中斷，片內(nèi)RAM的內(nèi)容加一計(jì)數(shù)，當(dāng)RAM計(jì)數(shù)到20次時(shí)（50ms），即表示1s時(shí)間到，這能擴(kuò)大單片機(jī)的計(jì)數(shù)范圍。但是，同時(shí)也引進(jìn)了中斷響應(yīng)的時(shí)間誤差，我們稱之為“軟件誤差”。頻率計(jì)的核心是時(shí)間基準(zhǔn)的正確性，因此，在中斷后重置定時(shí)器時(shí)間常數(shù)時(shí)，不能簡單地采用重置辦法。從單片機(jī)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)及其響應(yīng)過程可得出以下結(jié)論。

①定時(shí)器每次溢出中斷時(shí)，WAIT語句必須執(zhí)行完才能響應(yīng)，該條指令的執(zhí)行時(shí)間為2μs，筆者取其均勻延遲時(shí)間為1μs。

②CPU響應(yīng)中斷到執(zhí)行中斷服務(wù)程序首條指令至少需要3個(gè)完整的機(jī)器周期，即延時(shí)3μs。

③中斷服務(wù)程序中實(shí)際的定時(shí)時(shí)間是在執(zhí)行完時(shí)間常數(shù)的裝載指令后才開始的，兩條裝載指令占用4μs。根據(jù)以上分析，每次中斷后，將延遲約8μs后才開始定時(shí)。實(shí)際獲得的定時(shí)時(shí)間必須考慮8μs的延遲，所以，需要采用軟件補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒▉斫档推溆绊?，即減小TH0、TL0的值來達(dá)到補(bǔ)償要求。由于軟件修正相當(dāng)方便，在儀器調(diào)試中可作進(jìn)一步的調(diào)整，因此基本上可消除軟件誤差。

④開外部和定時(shí)中斷后，外部中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)，隨時(shí)檢測外部中斷請求信號(hào)，一旦有則轉(zhuǎn)進(jìn)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序開始計(jì)數(shù)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，否則返回顯示程序。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到1s時(shí)間時(shí)，對外部中斷計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理并顯示到LCD1602顯示屏上，顯示所測的風(fēng)速值。

4 結(jié)語

本文介紹了風(fēng)速風(fēng)向測量儀整體的設(shè)計(jì)流程、系統(tǒng)器件的選擇以及預(yù)期達(dá)到的功能，對軟硬件分別進(jìn)行分析，詳細(xì)講解了各電路的設(shè)計(jì)原理以及程序?qū)崿F(xiàn)等。

整個(gè)仿真的設(shè)計(jì)是本著以可靠性為目標(biāo)，盡力做到和實(shí)物接近的思想，仿真程序和實(shí)物程序可能存在差別，但修改量不會(huì)太大，主要體現(xiàn)在外部器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序上，畢竟仿真是模擬性質(zhì)的，而實(shí)物是實(shí)在的硬件。在移植到硬件上時(shí)，需對相關(guān)部分進(jìn)行相應(yīng)修改。在仿真時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向的測量值經(jīng)過精心調(diào)試，其精度還是比較滿意的。本電路雖然完成了想要的基本功能，但還存在很多不足的地方，由于自己水平有限，對其中的原理和實(shí)際操作方法還是有待繼續(xù)深入學(xué)習(xí)研究和提高。

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