基于51單片機的風(fēng)速測量?jì)x設計*

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61462015)

作者簡(jiǎn)介：劉熙明（1993—），男貴州畢節人，碩士，助理工程師，主要從事自動(dòng)控制、嵌入式控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數據方面研究。

路世揚（1991—），男，貴州畢節人，主要從事智慧礦山和智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面研究。

引言

風(fēng)速是農業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)中重要的氣象觀(guān)測數據，傳統的依靠人為手段去觀(guān)測和采集風(fēng)速的方法并不十分準確，數據采集實(shí)時(shí)性不高，尤其是在惡劣條件下，很難實(shí)現依靠人為手段去觀(guān)測和獲取風(fēng)力數據，利用自動(dòng)化技術(shù)制作自動(dòng)測量風(fēng)速的測量?jì)x器不僅僅是科技進(jìn)步的要求，同時(shí)也是工農業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)過(guò)程中的內在需要。

風(fēng)速的測量對于預測與農業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)的天氣變化至關(guān)重要。在臺風(fēng)、地震、海嘯等發(fā)生的時(shí)候，人們無(wú)法實(shí)地觀(guān)測到風(fēng)速數據，只能通過(guò)自動(dòng)氣象站實(shí)現對風(fēng)速的觀(guān)測和采集，預測和規避自然災害，盡可能降低自然災害對人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的影響。

目前對于風(fēng)速的觀(guān)測手段有人工觀(guān)察和自動(dòng)氣象站測量?jì)深?lèi)，人工觀(guān)察有很多缺點(diǎn)和不足，例如實(shí)時(shí)性差，精度低等，而且無(wú)法克服惡劣的氣候條件。自動(dòng)氣象站則是通過(guò)熱式風(fēng)速傳感器、三杯式風(fēng)速傳感器、光耦感應三杯式傳感器等傳感器來(lái)實(shí)現風(fēng)速測量^[1]。

1   系統方案及硬件電路設計

1.1 整體系統方案

整個(gè)系統要能實(shí)時(shí)測量(0.2~30) m/s 范圍內的風(fēng)速，并把所測量到的風(fēng)速實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。通過(guò)分析，選用了FS 系列三杯風(fēng)速傳感器作為風(fēng)速傳感器。該傳感器使用24 V 直流電源供電，使用LCD1602 液晶顯示器顯示風(fēng)速，利用微處理器進(jìn)行數據處理^[2-3]。整個(gè)系統由風(fēng)速測量模塊、單片機模塊、風(fēng)速顯示模塊、供電模塊組成，整個(gè)系統的硬件框圖如圖1所示。

1.2 電源電路方案

系統電源電路部分需要為單片機最小系統提供+5 V 直流電源，同時(shí)需要為三杯風(fēng)速傳感器提供24 V直流電源，考慮到整個(gè)電路的+5 V部分需求功率較小，且整體功耗均不高的情況，直接使用市場(chǎng)上現有的直流+24 V/+5 V 開(kāi)關(guān)電源作為供電電源，經(jīng)過(guò)測試完全能夠滿(mǎn)足系統需求。

1.3 主控制器設計方案

本系統需要處理的數據不多，運算程度不復雜，使用STM32 系列32 位微控制器會(huì )造成資源浪費，而且STM32 方案外圍電路比較復雜，需要比較精準的電源，這些都將會(huì )造成系統實(shí)用性和性?xún)r(jià)比降低，因此采用8位微控制器STC89C51 單片機作為主控制器即可^[4]。

單片機最小系統主要由主芯片、時(shí)鐘發(fā)生電路，復位電路組成，時(shí)鐘發(fā)生電路主要為整個(gè)單片機的運行提供精準的時(shí)鐘信號，使單片機的程序運行不會(huì )出現混亂。

1.4 風(fēng)速測量方案設計

風(fēng)速測量模塊主要實(shí)現對風(fēng)力數據的采樣和輸出。三杯風(fēng)速測量傳感器是一種用于測量風(fēng)速的傳感器，通過(guò)查閱數據手冊可知，該傳感器在有風(fēng)的時(shí)候吹動(dòng)風(fēng)杯帶動(dòng)轉軸轉動(dòng)，其傳感器內集成的電路可把風(fēng)速轉換成為0~5 V 的模擬信號輸出，其模擬電壓?jiǎn)纹瑱C無(wú)法直接處理，因此需要在傳感器的信號輸出和單片機輸入之間接入ADC 轉換電路，把傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，方便單片機處理。從表1 可以看到不同的風(fēng)速對應的風(fēng)級和強度^[5-7]。

ADC 轉換電路選用ADC0832 作為轉換芯片，無(wú)需外圍電路，結構簡(jiǎn)單。風(fēng)速變換裝置的風(fēng)速測量最小值V_min=0.2 m/s，測量最大值V_max=30 m/s，而其模擬量輸出最小值U_min=0 V，U_max=5 V。

因此風(fēng)速v 和電壓U 之間具有以下對應關(guān)系：

由此可換算出v 和U 之間的函數關(guān)系為：

通過(guò)該式（1）、（2）即可換算出風(fēng)速大小。但是由于傳感器本身需要至少在風(fēng)速為0.2 m/s 的時(shí)候才能開(kāi)始工作，因此上式所計算出的實(shí)際值應該加上0.2 m/s，最終v 和U的關(guān)系見(jiàn)式（3）。

風(fēng)速測量模塊接口電路如圖3 所示，三杯風(fēng)速測量傳感器采用+24 V 直流供電，另外一根為數據線(xiàn)，輸出0~+5 V 的模擬量信號，輸出的信號通過(guò)ADC0832模數轉換電路把風(fēng)速傳感器輸出的模擬量變換為數字量，送到單片機進(jìn)行顯示，ADC0832 和單片機之間則使用SPI 總線(xiàn)進(jìn)行通信傳輸風(fēng)速數據。

1.5 顯示電路方案設計

顯示電路在本設計中主要用于顯示風(fēng)速和風(fēng)力等級，所需顯示的數據格式如下：SPEED:XX.XXm/s，wind scale:x。例如，SPEED: 23.5 m/s，wind scale:9，表示當前風(fēng)速是23.5 m/s，風(fēng)力等級為9 級。

利用LCD1602 顯示風(fēng)速，LCD1602 是一種能夠同時(shí)顯示16 個(gè)×2 行字符的液晶顯示器，能顯示的數據格式有：數字，字母，ASCII 字符等等。該液晶通過(guò)三位控制總線(xiàn)和8 位并行數據總線(xiàn)進(jìn)行控制顯示。

如圖4 所示，液晶顯示電路用LCD1602 作為顯示器件，具有電路接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，圖4 中的液晶接口分為電源接口、讀寫(xiě)控制接口、讀寫(xiě)數據接口，八位并行數據總線(xiàn)和單片機的P0 口相連接，而讀寫(xiě)控制線(xiàn)和單片機的P2 口連接?；瑒?dòng)變阻器的作用是調節液晶對比度，便于優(yōu)化顯示效果。

2   軟件程序設計

整個(gè)系統由單片機控制ADC0832 將風(fēng)速傳感器輸出的模擬量變?yōu)閿底至?，然后把數字量換算出相應的數值并發(fā)送到LCD1602 上顯示出來(lái)。因此整個(gè)系統的軟件程序分為系統初始化子程序模塊、ADC 轉換子程序模塊、液晶顯示控制模塊，整個(gè)系統上電之后，單片機先調用初始化函數，完成對液晶屏和ADC0832 的硬件初始化，讓液晶顯示器顯示出相應數據，初始化完畢后，控制ADC0832 完成ADC 轉換并計算出速度，并對風(fēng)速進(jìn)行分級，傳送數據到LCD1602 顯示出來(lái)，主程序流程見(jiàn)圖5。

3   系統調試

系統組裝完畢后，需要對軟硬件的各項功能進(jìn)行調試。先進(jìn)行硬件調試，硬件調試完畢后再進(jìn)行軟件調試。

3.1 硬件測試

首先分別對各電路模塊做功能性驗證，第一步是進(jìn)行單片機最小系統的功能調試，硬件焊接完成之后，通過(guò)下載一個(gè)LCD1602 的初始化顯示程序到單片機中觀(guān)察液晶顯示器是否正常顯示字符。燒錄程序后能夠正常顯示字符，說(shuō)明單片機最小系統及液晶顯示模塊能夠正常運行。隨后測量三杯風(fēng)速傳感器的信號輸出，通過(guò)測試，傳感器能正常輸出0~+5 V 模擬信號。之后測試ADC0832 的功能，ADC0832 功能測試是利用一個(gè)電位器產(chǎn)生模擬量輸入，把ADC0832 的驅動(dòng)程序燒錄進(jìn)去，能夠正常讀取電壓值，再將傳感器輸出信號作為ADC083 的輸入，綜合測試能夠采集風(fēng)速傳感器的電壓值并通過(guò)液晶顯示出來(lái)。因此整個(gè)硬件測試基本通過(guò)，圖6 是整個(gè)硬件系統組裝完成的電路實(shí)物圖。

3.2軟件調試

因為系統不涉及到精確的時(shí)序控制，且無(wú)需實(shí)現比較復雜的數學(xué)運算，所以使用C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Keil。在開(kāi)發(fā)環(huán)境中建立好工程之后，編寫(xiě)代碼，把編譯通過(guò)的代碼通過(guò)USB下載線(xiàn)下載到單片機中即可運行。在整個(gè)系統的各功能模塊子程序測試通過(guò)之后，即可把所有功能模塊組裝在一起，然后根據系統流程圖和設計思想，把整個(gè)系統的軟件按照流程圖和算法指引，逐步調用子程序，完成系統功能。

4   測試與總結

4.1 實(shí)驗結果

為了驗證所設計風(fēng)速采集記錄儀測量風(fēng)速的準確性，在相同環(huán)境下利用標準風(fēng)速測量?jì)x和所設計的風(fēng)速采集儀進(jìn)行對照實(shí)驗，因實(shí)際條件限制，無(wú)法產(chǎn)生14 m/s 以上的大風(fēng)，實(shí)驗結果見(jiàn)表2。

4.2 結果討論

從表2 的實(shí)驗結果中可以看出，所設計的風(fēng)速測量?jì)x風(fēng)速測量結果和標準儀器測量結果一致性好，最大誤差為0.71%，具有較高精度，能夠滿(mǎn)足農業(yè)、工業(yè)、生產(chǎn)及生活所需，具有較強實(shí)用價(jià)值。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）