基于51單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量儀設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61462015)

作者簡介：劉熙明（1993—），男貴州畢節(jié)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(shù)據(jù)方面研究。

路世揚(yáng)（1991—），男，貴州畢節(jié)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(nóng)業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)中重要的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的依靠人為手段去觀測(cè)和采集風(fēng)速的方法并不十分準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性不高，尤其是在惡劣條件下，很難實(shí)現(xiàn)依靠人為手段去觀測(cè)和獲取風(fēng)力數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)化技術(shù)制作自動(dòng)測(cè)量風(fēng)速的測(cè)量儀器不僅僅是科技進(jìn)步的要求，同時(shí)也是工農(nóng)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)過程中的內(nèi)在需要。

風(fēng)速的測(cè)量對(duì)于預(yù)測(cè)與農(nóng)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(tái)風(fēng)、地震、海嘯等發(fā)生的時(shí)候，人們無法實(shí)地觀測(cè)到風(fēng)速數(shù)據(jù)，只能通過自動(dòng)氣象站實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的觀測(cè)和采集，預(yù)測(cè)和規(guī)避自然災(zāi)害，盡可能降低自然災(zāi)害對(duì)人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響。

目前對(duì)于風(fēng)速的觀測(cè)手段有人工觀察和自動(dòng)氣象站測(cè)量兩類，人工觀察有很多缺點(diǎn)和不足，例如實(shí)時(shí)性差，精度低等，而且無法克服惡劣的氣候條件。自動(dòng)氣象站則是通過熱式風(fēng)速傳感器、三杯式風(fēng)速傳感器、光耦感應(yīng)三杯式傳感器等傳感器來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量^[1]。

1   系統(tǒng)方案及硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體系統(tǒng)方案

整個(gè)系統(tǒng)要能實(shí)時(shí)測(cè)量(0.2~30) m/s 范圍內(nèi)的風(fēng)速，并把所測(cè)量到的風(fēng)速實(shí)時(shí)顯示出來。通過分析，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(shù)據(jù)處理^[2-3]。整個(gè)系統(tǒng)由風(fēng)速測(cè)量模塊、單片機(jī)模塊、風(fēng)速顯示模塊、供電模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

1.2 電源電路方案

系統(tǒng)電源電路部分需要為單片機(jī)最小系統(tǒng)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(xiàn)有的直流+24 V/+5 V 開關(guān)電源作為供電電源，經(jīng)過測(cè)試完全能夠滿足系統(tǒng)需求。

1.3 主控制器設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)不多，運(yùn)算程度不復(fù)雜，使用STM32 系列32 位微控制器會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且STM32 方案外圍電路比較復(fù)雜，需要比較精準(zhǔn)的電源，這些都將會(huì)造成系統(tǒng)實(shí)用性和性價(jià)比降低，因此采用8位微控制器STC89C51 單片機(jī)作為主控制器即可^[4]。

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由主芯片、時(shí)鐘發(fā)生電路，復(fù)位電路組成，時(shí)鐘發(fā)生電路主要為整個(gè)單片機(jī)的運(yùn)行提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，使單片機(jī)的程序運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)混亂。

1.4 風(fēng)速測(cè)量方案設(shè)計(jì)

風(fēng)速測(cè)量模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力數(shù)據(jù)的采樣和輸出。三杯風(fēng)速測(cè)量傳感器是一種用于測(cè)量風(fēng)速的傳感器，通過查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，該傳感器在有風(fēng)的時(shí)候吹動(dòng)風(fēng)杯帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其傳感器內(nèi)集成的電路可把風(fēng)速轉(zhuǎn)換成為0~5 V 的模擬信號(hào)輸出，其模擬電壓單片機(jī)無法直接處理，因此需要在傳感器的信號(hào)輸出和單片機(jī)輸入之間接入ADC 轉(zhuǎn)換電路，把傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便單片機(jī)處理。從表1 可以看到不同的風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)級(jí)和強(qiáng)度^[5-7]。

ADC 轉(zhuǎn)換電路選用ADC0832 作為轉(zhuǎn)換芯片，無需外圍電路，結(jié)構(gòu)簡單。風(fēng)速變換裝置的風(fēng)速測(cè)量最小值V_min=0.2 m/s，測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系：

由此可換算出v 和U 之間的函數(shù)關(guān)系為：

通過該式（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)候才能開始工作，因此上式所計(jì)算出的實(shí)際值應(yīng)該加上0.2 m/s，最終v 和U的關(guān)系見式（3）。

風(fēng)速測(cè)量模塊接口電路如圖3 所示，三杯風(fēng)速測(cè)量傳感器采用+24 V 直流供電，另外一根為數(shù)據(jù)線，輸出0~+5 V 的模擬量信號(hào)，輸出的信號(hào)通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把風(fēng)速傳感器輸出的模擬量變換為數(shù)字量，送到單片機(jī)進(jìn)行顯示，ADC0832 和單片機(jī)之間則使用SPI 總線進(jìn)行通信傳輸風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.5 顯示電路方案設(shè)計(jì)

顯示電路在本設(shè)計(jì)中主要用于顯示風(fēng)速和風(fēng)力等級(jí)，所需顯示的數(shù)據(jù)格式如下：SPEED:XX.XXm/s，wind scale:x。例如，SPEED: 23.5 m/s，wind scale:9，表示當(dāng)前風(fēng)速是23.5 m/s，風(fēng)力等級(jí)為9 級(jí)。

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(shù)據(jù)格式有：數(shù)字，字母，ASCII 字符等等。該液晶通過三位控制總線和8 位并行數(shù)據(jù)總線進(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，具有電路接口簡單的特點(diǎn)，圖4 中的液晶接口分為電源接口、讀寫控制接口、讀寫數(shù)據(jù)接口，八位并行數(shù)據(jù)總線和單片機(jī)的P0 口相連接，而讀寫控制線和單片機(jī)的P2 口連接?；瑒?dòng)變阻器的作用是調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度，便于優(yōu)化顯示效果。

2   軟件程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制ADC0832 將風(fēng)速傳感器輸出的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后把數(shù)字量換算出相應(yīng)的數(shù)值并發(fā)送到LCD1602 上顯示出來。因此整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序分為系統(tǒng)初始化子程序模塊、ADC 轉(zhuǎn)換子程序模塊、液晶顯示控制模塊，整個(gè)系統(tǒng)上電之后，單片機(jī)先調(diào)用初始化函數(shù)，完成對(duì)液晶屏和ADC0832 的硬件初始化，讓液晶顯示器顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)，初始化完畢后，控制ADC0832 完成ADC 轉(zhuǎn)換并計(jì)算出速度，并對(duì)風(fēng)速進(jìn)行分級(jí)，傳送數(shù)據(jù)到LCD1602 顯示出來，主程序流程見圖5。

3   系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)組裝完畢后，需要對(duì)軟硬件的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試。先進(jìn)行硬件調(diào)試，硬件調(diào)試完畢后再進(jìn)行軟件調(diào)試。

3.1 硬件測(cè)試

首先分別對(duì)各電路模塊做功能性驗(yàn)證，第一步是進(jìn)行單片機(jī)最小系統(tǒng)的功能調(diào)試，硬件焊接完成之后，通過下載一個(gè)LCD1602 的初始化顯示程序到單片機(jī)中觀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，說明單片機(jī)最小系統(tǒng)及液晶顯示模塊能夠正常運(yùn)行。隨后測(cè)量三杯風(fēng)速傳感器的信號(hào)輸出，通過測(cè)試，傳感器能正常輸出0~+5 V 模擬信號(hào)。之后測(cè)試ADC0832 的功能，ADC0832 功能測(cè)試是利用一個(gè)電位器產(chǎn)生模擬量輸入，把ADC0832 的驅(qū)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(hào)作為ADC083 的輸入，綜合測(cè)試能夠采集風(fēng)速傳感器的電壓值并通過液晶顯示出來。因此整個(gè)硬件測(cè)試基本通過，圖6 是整個(gè)硬件系統(tǒng)組裝完成的電路實(shí)物圖。

3.2軟件調(diào)試

因?yàn)橄到y(tǒng)不涉及到精確的時(shí)序控制，且無需實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以使用C 語言編寫程序，開發(fā)環(huán)境采用Keil。在開發(fā)環(huán)境中建立好工程之后，編寫代碼，把編譯通過的代碼通過USB下載線下載到單片機(jī)中即可運(yùn)行。在整個(gè)系統(tǒng)的各功能模塊子程序測(cè)試通過之后，即可把所有功能模塊組裝在一起，然后根據(jù)系統(tǒng)流程圖和設(shè)計(jì)思想，把整個(gè)系統(tǒng)的軟件按照流程圖和算法指引，逐步調(diào)用子程序，完成系統(tǒng)功能。

4   測(cè)試與總結(jié)

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)風(fēng)速采集記錄儀測(cè)量風(fēng)速的準(zhǔn)確性，在相同環(huán)境下利用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速測(cè)量儀和所設(shè)計(jì)的風(fēng)速采集儀進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，因?qū)嶋H條件限制，無法產(chǎn)生14 m/s 以上的大風(fēng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

4.2 結(jié)果討論

從表2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，所設(shè)計(jì)的風(fēng)速測(cè)量儀風(fēng)速測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果一致性好，最大誤差為0.71%，具有較高精度，能夠滿足農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生產(chǎn)及生活所需，具有較強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）