基于增強(qiáng)型51 單片機(jī)的風(fēng)速測試儀設(shè)計(jì)

丁電寬，王永剛，師韶謙

（安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，河南安陽 455000）

隨著可再生能源的推廣，風(fēng)能的利用率日益增長。風(fēng)能常用于動力或者發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)風(fēng)力數(shù)據(jù)測量對于氣象監(jiān)測、航空等行業(yè)尤為重要[1-3]。

風(fēng)速測試儀是一種通過傳感器采集風(fēng)速和風(fēng)向的儀器，如今，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)速測量與研究進(jìn)入快速發(fā)展階段，國內(nèi)外風(fēng)力數(shù)據(jù)測量原理眾多。其中，基于螺旋槳式的風(fēng)速風(fēng)向變送器的風(fēng)速測量，是通過風(fēng)力推動三葉螺旋槳并聯(lián)動風(fēng)速碼盤完成光電掃描，再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖信號；其風(fēng)向測量通過風(fēng)推動尾翼，從而帶動風(fēng)向碼盤，按格雷碼盤編碼方式進(jìn)行光電掃描，再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖信號；該傳感器精度差，同時(shí)自然風(fēng)陣變化較大，會引起失真和較大誤差[4-6]。基于超聲波的風(fēng)速風(fēng)向傳感器由4 個彼此垂直的超聲波接收器組成，聲波傳播速度和聲波與風(fēng)向的傳播方向與否相同有關(guān)，經(jīng)運(yùn)算可獲得風(fēng)速、風(fēng)向，該方法電路構(gòu)造較復(fù)雜。基于熱球式的風(fēng)速儀主要應(yīng)用于微風(fēng)測量[7]。基于三杯式風(fēng)速傳感器的風(fēng)速測量和基于單翼式風(fēng)向傳感器風(fēng)向測量具有動態(tài)性能好、線性高、測量范圍廣、抗雷電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[8-9]。

綜合測量功能、可靠性、使用領(lǐng)域、性價(jià)比等要素，文中設(shè)計(jì)的風(fēng)杯式風(fēng)速測試儀利用RS-FS-V05風(fēng)速變送器、RS-FX-V05風(fēng)向變送器分別完成風(fēng)速、風(fēng)向測量。該測試儀結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)通過采集風(fēng)能參數(shù)合理開發(fā)和利用風(fēng)能的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)微處理器選用IAP15F2K61S2 單片機(jī)，RS-FS-V05 風(fēng)速變送器、RS-FX-V05 風(fēng)向變送器分別將當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，由PCF8591 采集兩者的電壓信號并傳輸至微處理器，DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)并傳輸至微處理器，微處理器通過算法進(jìn)行分析、運(yùn)算，并將轉(zhuǎn)換后的風(fēng)力數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)傳輸至液晶顯示屏進(jìn)行顯示，更具可觀性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了與PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌诤团c風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對接的接口。基于增強(qiáng)型51 單片機(jī)的風(fēng)速測試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 風(fēng)速測試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

IAP15F2K61S 單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度是普通51 單片機(jī)的8～12 倍。系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)51 單片機(jī)引腳的兼容。ISP 編程時(shí)有8 級復(fù)位門檻電壓可選，內(nèi)部時(shí)鐘在5～28 MHz 范圍內(nèi)可設(shè)，不需要外接晶振，內(nèi)置高可靠復(fù)位電路，不需外接復(fù)位電路。

2.2 AD采集模塊

PCF8591 是單電源、低功耗、逐次逼近式8 位CMOS 數(shù)據(jù)采集器，分辨率約為19.5 mV，采集電壓范圍為0～5 V。IIC 總線接口結(jié)構(gòu)占用單片機(jī)的IO口少，且編程無需配置其內(nèi)部的定時(shí)器。

PCF8591 有AIN0～AIN3 輸入通道及IIC 總線引腳SCL、SDA，分別連接微處理器的P1.5、P1.6 引腳，A0、A1 和A2 引腳接地。AD 采集模塊電路如圖2所示。

圖2 AD采集模塊電路

2.3 風(fēng)速、風(fēng)向變送器

依據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向采集性能指標(biāo)，選用RS-FS-V05風(fēng)速變送器、RS-FS-V05 風(fēng)向變送器，兩者工作電壓皆為12 V，風(fēng)速測量量程為0～30 m/s，風(fēng)向測量可測8 個基準(zhǔn)風(fēng)向，兩者皆輸出0～5 V 電壓信號。

RS-FS-V05 風(fēng)速變送器3 個直徑為6 cm的半球形風(fēng)杯呈兩兩120°夾角固定放置，裝在一個可自由轉(zhuǎn)動的軸上。風(fēng)杯組在水平風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)，主軸聯(lián)動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，經(jīng)內(nèi)部電路得到與風(fēng)速成正比的電壓信號。RS-FS-V05 風(fēng)向變送器為單翼式，由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)向羅盤等組成。在水平風(fēng)力作用下，風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動并聯(lián)動格雷碼盤，經(jīng)內(nèi)部電路得到與風(fēng)向?qū)?yīng)的電壓信號，風(fēng)向-電壓對照表如表1 所示[10～13]。

表1 風(fēng)向-電壓對照表

風(fēng)速變送器正信號引腳接PCF8591 通道AIN0，風(fēng)向變送器正信號引腳接PCF8591 通道AIN3。文中設(shè)計(jì)采用三線制接法，其電路如圖3 所示。

圖3 變送器三線制接法電路圖

2.4 溫度采集模塊

DS18B20 單總線結(jié)構(gòu)溫度傳感器可采集-55 ℃～125 ℃的溫度范圍，最高分辨率為0.062 5 ℃，符合溫度采集性能指標(biāo)。DS18B20的VDD 引腳電源供電端接5 V 電源，DQ 引腳數(shù)據(jù)輸入/輸出接微處理器的P1.4引腳，GND 引腳電源接地端。其電路如圖4所示。

圖4 溫度采集模塊電路

2.5 LCD12864液晶顯示模塊

LCD12864 液晶可顯示漢字、ASCII 字符，完成圖形顯示。

LCD12864的8 個數(shù)據(jù)口DB0～DB7 接微處理器P0 端口、指令/數(shù)據(jù)選擇引腳RS、讀寫選擇引腳RW，信號使能引腳E 分別接微處理器P1.0、P1.1、P1.2 引腳。其電路如圖5 所示。

圖5 LCD12864液晶顯示模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)編程采用模塊化編程。依照各功能分解成若干個模塊，每一個模塊單獨(dú)編程，從而實(shí)現(xiàn)一定的功能，各模塊之間可以相互調(diào)用，主函數(shù)調(diào)用各個模塊函數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。依據(jù)系統(tǒng)功能，系統(tǒng)編程分化為五大模塊，系統(tǒng)模塊化圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)模塊化圖

3.1 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后顯示開機(jī)界面“歡迎使用基于增強(qiáng)型51 單片機(jī)的風(fēng)速測試儀”，最后進(jìn)入主循環(huán)程序。循環(huán)程序采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)通過定時(shí)器0 分別設(shè)置4 個標(biāo)志位：flagwdir、flagtemp、flagdisp、flagwspeed，根據(jù)標(biāo)志位狀態(tài)進(jìn)入不同的程序模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速采集與處理、風(fēng)向采集與處理、溫度采集與處理、數(shù)據(jù)顯示。主函數(shù)程序流程如圖7 所示[15-16]。

圖7 主函數(shù)程序流程

3.2 AD采集模塊編程設(shè)計(jì)

PCF8591 A/D 轉(zhuǎn)換讀模式總線協(xié)議及工作時(shí)序如圖8 所示。SCL 由高電平轉(zhuǎn)為低電平，SDA 完成一個位字節(jié)的發(fā)送。CPU 必須向PCF8591SCL 發(fā)送開始命令與終止命令方可操控PCF8591的工作與終止，并且CPU 與PCD8591 每互傳一個字節(jié)就必須接收對方的應(yīng)答，只有應(yīng)答有效方可進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)傳輸。PCF8591 總線協(xié)議及工作時(shí)序如圖9所示。

圖8 PCF8591總線協(xié)議及工作時(shí)序

圖9 PCF8591初始化和采集數(shù)據(jù)程序流程

3.3 風(fēng)速、風(fēng)向采集模塊程序設(shè)計(jì)

RS-FS-V05 和RS-FX-V05 均輸出電壓信號，由PCF8591 采集，在處理器中經(jīng)算法將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)速-電壓轉(zhuǎn)換比將十進(jìn)制電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)并儲存；根據(jù)風(fēng)向-電壓對應(yīng)表，將十進(jìn)制電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的8 個基準(zhǔn)風(fēng)向，將風(fēng)向數(shù)據(jù)儲存并等待顯示；采集數(shù)據(jù)一方面送到液晶顯示模塊顯示，一方面通過串口通信發(fā)送到風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。風(fēng)速、風(fēng)向采集與數(shù)據(jù)處理流程如圖10 所示。

圖10 風(fēng)速、風(fēng)向采集與數(shù)據(jù)處理流程

4 系統(tǒng)測試

RS-FX-V05 風(fēng)向變送器上的凹槽向著正北方作為啟動時(shí)的基準(zhǔn)方向，使用電風(fēng)扇(或吹風(fēng)機(jī)）模擬自然風(fēng)從8 個風(fēng)向角度依次吹動風(fēng)向變送器，將系統(tǒng)測試的風(fēng)向和實(shí)際風(fēng)向比對，結(jié)果完全一致。使用數(shù)字風(fēng)速儀GM8901的測試結(jié)果和系統(tǒng)測試結(jié)果如表2 所示，結(jié)果一致。

表2 風(fēng)速實(shí)際測試表

5 結(jié)論

基于增強(qiáng)型51 單片機(jī)的風(fēng)速測試儀經(jīng)測試能能滿足風(fēng)速測量相關(guān)性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)在LCD12864 液晶屏實(shí)時(shí)顯示，具可觀性。利用三杯式風(fēng)速變送器和單翼式風(fēng)向變送器可以解決自然風(fēng)陣變化大引起的失真和誤差，同時(shí)傳感器具有動態(tài)性能好、線性高、測量范圍廣、抗雷電干擾能力強(qiáng)等多種優(yōu)良性能。該系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳到PC 機(jī)進(jìn)行監(jiān)控及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供實(shí)時(shí)控制。