基于單片機的風力發電模擬裝置設計

譚艷萍 黃星雨 向雯嵐 余治遠

摘 ?要：大力發展風力發電將有助于我國調整能源結構、減少環境污染、保障能源安全、實現可持續發展。隨著物聯網技術在風力發電裝置中的重要性不斷提升，清潔能源得到了極大應用。文章采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制器，設計了一種風力發電模擬裝置：利用三杯式風速傳感器測量實時風速，利用風向傳感器測量實時風向，通過風力發電模塊點亮LED燈，并用LCD1602顯示器實時顯示測量出來的風速、風向、LED燈的工作功率等。實驗結果表明，該模擬裝置能夠準確實現相關功能，且運行穩定。

關鍵詞：單片機;風力發電;傳感器技術

中圖分類號：TP29 ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-4706（2021）06-0171-05

Design of Wind Power Generation Simulator Based on Single-Chip Microcomputer

TAN Yanping，HUANG Xingyu，XIANG Wenlan，YU Zhiyuan

（School of Computer and Information Engineering，Guizhou University of Commerce，Guiyang ?550014，China）

Abstract：Vigorously developing wind power generation will help China to adjust energy structure，reduce environmental pollution，ensure energy security and achieve sustainable development. With the increasing importance of the internet of things technology in wind power generation devices，clean energy has been greatly applied. In this paper，STC12C5A60S2 single-chip microcontroller is used as the core controller to design a wind power generation simulator. A three-cup wind speed sensor is used for measuring the real-time wind speed，a wind direction transfer is used for measuring the real-time wind direction，the wind power generation module is used to turn on the LED light，and an LCD1602 display is used for displaying in real time the measured wind speed，wind direction，the working power of the LED light. The experimental results show that the simulator can accurately achieve the relevant functions，and the operation is stable.

Keywords：single-chip microcomputer;wind power generation;sensor technology

0 ?引 ?言

隨著石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭以及全球變暖、環境惡化等問題的凸顯，可再生能源的利用成為各國關注的焦點。風能作為一種儲量大、分布廣的清潔能源，其社會效益和經濟效益已經得到人們的普遍認可，發展前景十分廣闊[1]。風力發電技術作為利用風能的主要方法之一也已日趨成熟，其產生的經濟效益已逼近常規能源，極具開發潛力[2]。

目前，我國以集中式、化石能源為主的傳統電網存在諸多問題。例如：能耗方面，造成了巨大的能源損耗;用電服務方面，單向信息流、簡單的電價方案不能滿足所有用戶的需要;電力質量方面，水平低、變動大;修復故障方面，定期檢修和人工修復大大耗費了時間與人力;資產管理方面，人工管理，利用效率低[3]。隨著物聯網技術的發展與普及，在風力發電場中使用各類傳感器來有效地監測風力發電機組的工作狀態，及時發現設備的異常，提前排除故障狀態已成為研究的主要方向[4]。根據風力發電場的環境，對風速和風向進行監測，實時反饋風機運行數據，再通過數據比對了解每個風機運行情況，對于數據偏差較大的風機及時查看實況并予以糾正，從而將電能損失降到最低[5]。通常情況下，風力發電機組安裝位置比較偏僻、自然環境比較惡劣，而且受到逆變器等電力電子裝置和電網諧波等因素影響，容易發生故障。因此，對風力發電進行在線運行狀態實時監測跟蹤，具有十分重要的現實意義[6]。

物聯網技術作為第三次信息化浪潮的核心技術之一，其在各行各業應用帶來的生產力的提升及可觀的經濟效益，使得各國政府積極力推物聯網技術的發展。將物聯網與電網進行融合，實現傳統電網的升級改造，打造智能電網，解決傳統電網現存的各類問題，極具應用價值。在智能電網行業中，物聯網技術能有效提高電網供電的可靠性，并通過電網和用戶間的雙向互動，為用戶提供更加智能化和多元化的用電服務。在物聯網系統中，單片機作為常用的控制器，具有使用起來簡單可靠、價格低、體積小等特點。

結合物聯網中的傳感器及單片機技術，本文設計了一種基于單片機的風力發電模擬裝置，采用單片機及多路傳感器采集處理風速、風向等數據，利用風能轉換成電能模塊，發電點亮LED燈，并且通過LCD顯示器實時顯示風速、風向、LED燈工作電流、功率等。本系統主要包括電源模塊、主控模塊、風速/風向模塊、風力發電模塊、報警模塊、顯示模塊等。

1 ?系統總體結構設計

本系統采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制器，以實現對風速和風向的實時監測，并利用顯示模塊對檢測到的風速、風向和LED燈的工作功率等進行顯示。本系統主要包括單片機STC12C5A60S2、風力發電模塊、風速模塊、風向模塊、顯示模塊、報警模塊、電源模塊等。系統總體結構圖如圖1所示。

本系統主要實現的功能包括：

（1）利用電風扇帶動扇葉轉動，使電機產生電流，點亮LED燈;

（2）利用三杯式風速傳感器對風速進行檢測;

（3）利用風向傳感器對風向進行檢測;

（4）將傳感器檢測到的風速和風向在LCD1602上進行顯示，并顯示LED燈的實時工作電流、功率等;

（5）設定警報風向為“南”，當檢測到風向為“南”時，報警模塊蜂鳴器會發出警報。

2 ?硬件設計

風力發電模擬裝置硬件部分包括電風扇、STC12C5A6 0S2單片機最小系統、LCD1602顯示屏、208碳刷直流電機、三杯式風速傳感器、風向傳感器、蜂鳴器等。模塊有主控模塊、風速模塊、風向模塊、風力發電模塊、報警模塊、顯示模塊、電源模塊等。

2.1 ?主控模塊

采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制器，其內部集成MAX810專用復位電路，2位PWM，8路高速10位A/D轉換（250 K/S）。STC12C5A60S2單片機最小系統如圖2所示。

2.2 ?風速模塊

風速模塊采用三杯式風速傳感器，當戶外的風速達到7級，并持續5～10分鐘后，三杯式風速傳感器將信號送到控制器，控制器檢測到信號，將系統自動放平，并停止跟蹤風速;此時間隙檢測風速，當風速小于7級連續10～30分鐘以上，系統自動恢復到跟蹤風速。在本文設計的風力發電模擬裝置中，風速模塊通過STC12C5A60S2單片機的P11引腳接收傳感器輸出的電壓，并將該電壓數值進行A/D轉換，再經過變換公式，從而計算得出風速變化。變換公式為：V=0.27×M/100。其中V表示風速，M是風速傳感器測出的數據再經過單片機數模轉換之后得到的值。風速模塊電路如圖3所示。

2.3 ?風向模塊

風向模塊采用0～5 V風向變送器，即風向傳感器。本文設計的風力發電模擬裝置通過STC12C5A60S2單片機采集傳感器的輸出電壓，經過A/D轉換，得到一個值M（單位為mV），再經過變換公式，從而計算出風向變化。變換公式為：X=0.35×M，其中X表示風向，M是風速傳感器測出的數據再經過單片機數模轉換之后得到的值。風向模塊電路如圖4所示。

2.4 ?風力發電模塊

采用普通電機，通過風扇驅動電機扇葉旋轉發電，點亮LED燈。通過STC12C5A60S2單片機P10口采集LED燈在工作時的電壓，P13口采集LED燈在工作時的電流，以便后續電功率的計算。風力發電模塊電路如圖5所示。

2.5 ?顯示模塊

基于LCD有零輻射、低功耗、散熱小、體積小、圖像還原精確、字符顯示銳利等優點。STC12C5A60S2單片機將接收到的風速、風向數據進行處理后，通過LCD顯示出來，主要顯示LED工作功率、風速、風向等測量數據。顯示模塊電路如圖6所示。

2.6 ?報警模塊

報警模塊主要由蜂鳴器組成，當單片機采集到危險方位數據（例如：南）時，則會啟動報警模式，單片機控制蜂鳴器鳴聲。報警模塊電路如圖7所示。

3 ?軟件設計

基于單片機的風力發電模擬裝置主要包括風速模塊、風向模塊、報警模塊及顯示模塊等幾個模塊的軟件設計。其中，風速模塊在風吹動時，其傳感器會實時測量風速，并將測量到的電壓值進行A/D轉換后，將風速信息轉化成電壓信息，并將得到的數據發送給主控模塊，根據所設置的公式（V=0.27×M/100）進行計算，從而得出風速。以下為部分風速轉化程序：

adc[1]=AD_get（1）;//獲取A/D轉化后的電壓值

su=0.27*sum1/100;//根據計算公式計算風向

風向模塊是在有風吹動時，其傳感器會實時測量風的方向，并將所得到的電壓值在進行A/D轉換后發送給主控模塊，根據所設置的公式（X=0.35×M）進行計算。以下為部分風向轉化程序：

adc[2]=AD_get（2）;//獲取A/D轉化后的電壓值

xiang=0.35*adc[2];//根據計算公式計算風向

//當風向電壓在小于0.35 V時，表示風向為北方向

if（xiang<0.35）{

string（0xc6，"N"）;

ss=1;}

//當風向電壓在大于1.05 V小于1.75 V時，表示風向為東方向

else ?if（xiang>1.05&&xiang<1.75）{

string（0xc6，"E"）;}

//當風向電壓在大于2.45 V小于3.2 V時，表示風向為南方向

else ?if（xiang>2.45&&xiang<3.2）{

string（0xc6，"S"）;}

//當風險電壓在大于3.85 V小于4.6 V時，表示風向為西方向

else ?if（xiang>3.85&&xiang<4.6）{

string（0xc6，"W"）;}

蜂鳴報警功能是在風向測量的數據是危險方向（例如：南）時，主控模塊會控制蜂鳴器發出鳴聲。

LCD1602顯示功能是在測量出風速、風向、LED燈工作電流、功率后，主控模塊將數據通過LCD1602進行實時顯示。以下為部分LCD1602顯示程序：

void number（uchar ad，uchar a） {//lcd顯示數字

uint ge，shi，bai;

write_command（ad）;

ge=a%10;

a=a/10;

shi=a%10;

bai=a/10;

write_data（0x30+bai）;

write_data（0x30+shi）; }

//ad為需顯示的字符串位置

//ge為需顯示數字的個位，shi為需顯示數字的十位，bai為需顯示數字的百位

風速傳感器測出數據發送給主控模塊后，主控模塊進行A/D轉換，并對數據進行計算，從而得出風速數據。風向傳感器測出數據發送給主控模塊，主控模塊進行A/D轉換后，將數據進行計算，得出風向數據。風速/風向模塊軟件設計流程圖如圖8所示。

4 ?模擬裝置測試

對基于STC12C5A60S2單片機的風力發電模擬裝置進行測試，測試結果如表1所示。

從表1中可以看出以下幾點：

（1）基于單片機的風力發電模擬裝置可點亮LED燈，且保證LED燈穩定發光;

（2）風速傳感器能正確測量實時風速，風向傳感器能測量實時風向;

（3）LCD顯示器能顯示實時風速、風向、LED工作電流、功率，且數據保證在規定誤差以內;

（4）當風向為“南”時，蜂鳴器能及時鳴聲，進行提示。

模擬裝置實物測試結果如圖9所示。從圖中可以清晰看到LED燈被點亮，且LCD顯示出實時風速、風向、LED工作電流、功率等。由測試結果可知：基于單片機的風力發電模擬裝置能準確實現相關功能，且運行穩定。

5 ?結 ?論

大力發展風力發電將有助于我國調整能源結構、減少污染環境、保障能源安全、實現可持續發展。本文設計的基于單片機的風力發電模擬裝置實現了風力發電并點亮LED燈，且利用LCD實時顯示相關數據。主要實現了風速風向的實時測量及當風向轉為設定的方向時，報警模塊會鳴響、LCD數據顯示等。該模擬裝置從一定意義上實現了風力發電的智能化管理，可以節省風力發電環節中的人力成本，提高發電效益。下一步將致力于物聯網技術與電網的深度融合，提升電網智能化水平方向的研究。

參考文獻：

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作者簡介：譚艷萍（1990.04—），女，漢族，湖南邵陽人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯網技術應用。