【正文】 ................................................ 31 2 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................................................. 32 附錄 ...................................................................................................................................................................................... 33 風(fēng)速程序： ...................................................................................................................................................................... 33 風(fēng)向程序： ...................................................................................................................................................................... 38 致謝： .................................................................................................................................................................................. 41 ABSTRACT ....................................................................................................................................................................... 42 3 基于單片機(jī)控制的風(fēng)速風(fēng)向的測量 葉成龍 南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)，南京 210044 摘要 人類社會發(fā)展的歷史與能源的開發(fā)和利用水平密切相關(guān)，每一次新型能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。在自然界中，風(fēng)是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源。隨著全球氣候變暖和能源危機(jī)，各國都在加緊對風(fēng)力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，保護(hù)我們賴以生存的地球。 本文介紹了用 AT89S52 系列單片機(jī)設(shè)計監(jiān)測風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及顯示模塊。對于風(fēng)速該系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)。壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)交給單片機(jī)處理，再由液晶顯示 屏顯示測量的風(fēng)速值。對于風(fēng)向該系統(tǒng)利用編碼器在 0360176。范圍內(nèi)進(jìn)行測量收集信號，在多圈旋轉(zhuǎn)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)單圈自動歸零，通過單片機(jī)進(jìn)行格雷碼轉(zhuǎn)化處理，測量風(fēng)向通過數(shù)碼管顯示。軟件部分的設(shè)計采用模塊編程，方便今后的維護(hù)和改進(jìn)。 關(guān)鍵詞： 風(fēng)向 風(fēng)速 單片機(jī) 傳感器 第 1 章 緒論 問題的提出 風(fēng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境因子之一。風(fēng)速適度對改善農(nóng)田環(huán)境起著重要作用。風(fēng)對農(nóng)業(yè)也會產(chǎn)生消極作用。它能傳播病原體，蔓延植物病害。高空風(fēng)是粘蟲、稻飛虱、稻縱卷葉螟、飛蝗等害蟲長距離遷飛的氣象條件。大風(fēng)使葉片機(jī)械擦傷、作物 倒伏、樹木斷折、落花落果而影響產(chǎn)量。大風(fēng)還造成土壤風(fēng)蝕、沙丘移動，而毀壞農(nóng)田。在干旱地區(qū)盲目墾荒，風(fēng)將導(dǎo)致土地沙漠化。牧區(qū)的大風(fēng)和暴風(fēng)雪可吹散畜群，加重凍害。地方性風(fēng)的某些特殊性質(zhì)，也常造成風(fēng)害。由海上吹來含鹽分較多的海潮風(fēng)，高溫低溫的焚風(fēng)和干熱風(fēng)，都嚴(yán)重影響果樹的開花、座果和谷類作物的灌漿。防御風(fēng)害，多采用培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗風(fēng)品種。營造防風(fēng)林，設(shè)置風(fēng)障等更是有效的防風(fēng)方法。所以測量風(fēng)速風(fēng)向?qū)θ祟惛玫匮芯考袄蔑L(fēng)能和改善生活生產(chǎn)有積極的影響。 我國的風(fēng)力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速都在每 秒 3 米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風(fēng)速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風(fēng)天。在這些地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電是很有前途的。尤其是目前能源緊張，風(fēng)力發(fā)電成為新潮發(fā)電方式的情況下，對風(fēng)速風(fēng)向的測量和控制尤為重要。所以研究風(fēng)的變化意義巨大。 4 國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài) 風(fēng)是大自然普遍存在的，而風(fēng)這一定義的出現(xiàn)以及開始進(jìn)行測量則是有很久的歷史，在奴隸社會初期，我國的人們就開始進(jìn)行簡單的測量以及判斷，只是那個時候的測量方法是通過旗幟來判斷的，一旗幟飄揚(yáng)的方向以及平率來進(jìn)行判斷風(fēng)向風(fēng)速，這種方法只能進(jìn) 行簡單的判斷，而在東漢的進(jìn)一步發(fā)展將風(fēng)向風(fēng)速的測量有一定的發(fā)展，但是在進(jìn)行測量的時候依舊是只能進(jìn)行判斷，而無法得出準(zhǔn)確的值 ,但是現(xiàn)在使用傳感器來進(jìn)行測量就能夠了解到某一時刻的準(zhǔn)確的風(fēng)向風(fēng)速，同時還能進(jìn)行計算某一段的風(fēng)向風(fēng)速的平均值。目前， 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動流水生產(chǎn)線，全自動加工設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們在合理化地進(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在軍事國防領(lǐng)域，各種偵測設(shè)備，紅外夜視探測，雷達(dá)跟蹤、武器的精確制導(dǎo)，沒有傳感器是難以實現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域， 空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測都與傳感器緊密相關(guān)。沒有傳感器，要實現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。 國內(nèi)外使用的傳感器及其部件大多以機(jī)械的為主，此類傳感器一般是體積大，測量精度不高，響應(yīng)時間長，靈敏度低，價格昂貴。而且，它們的電路復(fù)雜，占用面積大。為了使傳感器的測量精度，穩(wěn)定性和可靠性都較高，同時避免繁瑣的機(jī)械傳動，傳感器的研究方向已經(jīng)向著小型化，低功耗，集成化，智能化方向發(fā)展 。 研究的內(nèi)容 風(fēng)速風(fēng)向是經(jīng)常需要采集的一個參數(shù)，由于機(jī)械式的風(fēng)速 傳感器響應(yīng)時間比較長，體積大，而且價格比較貴，要實現(xiàn) 在一個不是很廣闊的地方測量風(fēng)速就會比較難，所以本課題研究的是設(shè)計一個小型的測量系統(tǒng)，此測量風(fēng)速系統(tǒng)要電路簡單，精度高，體積小，成本低，容易實現(xiàn)。 風(fēng)速風(fēng)向系統(tǒng)的功能主要是能對當(dāng)前的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行測量并在顯示器件上顯示，而且測量系統(tǒng)要求具有一定的精度，在斷電及其他影響情況下仍能準(zhǔn)確的工作，尤其是風(fēng)向測量部分，要求具有斷電保護(hù)或者記憶功能，能夠時刻反應(yīng)風(fēng)向情況。本課題研究的是設(shè)計一個小型的測量系統(tǒng)，此測量系統(tǒng)電路簡單，精度高，體積小，成本低，容易實現(xiàn)。對于風(fēng)速在 0－ 80m/s 的范圍內(nèi)，在單片機(jī)的控制下，采用合適的測量方法對電壓的變化進(jìn)行測量，同時要求風(fēng)速的測量達(dá)到一定的精度，誤差不超過 5%并且對風(fēng)速進(jìn)行顯示。對于風(fēng)向在 0360176。范圍內(nèi)進(jìn)行測量，在多圈旋轉(zhuǎn)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)單圈自動歸零，單片機(jī)處理測量風(fēng)向能夠顯示并且達(dá)到一定的精度。 研究內(nèi)容 早期的測量系統(tǒng)無論是結(jié)構(gòu)上還是測量方法上都比較簡單，大多數(shù)情況下就是使用一些簡單的儀表，完全由人來進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，整個系統(tǒng)的成本較低，但可靠性不高，實現(xiàn)的功能單一。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展， 測速系統(tǒng)得到了不斷的發(fā)展與完善，功能更強(qiáng)大。傳感器的種類越來越多。 全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。 5 風(fēng)速測量方法 （ 1）風(fēng)杯式風(fēng)速計： 它是最常見的一種風(fēng)速計。轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速計最早由英國 (1846)，當(dāng)時是四杯 ,后來改用三杯。三個互成 120 度固定在架上的拋物形或半球形的空杯都順一面，整個架子連同風(fēng)杯裝在一個可以自由轉(zhuǎn)動的軸上。 在風(fēng)力的作用下風(fēng)杯繞軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。轉(zhuǎn)速可以用電觸點、測速發(fā)電機(jī)或光電計數(shù)器等記錄。當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時，通過主軸帶動多齒轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使下面光敏三極管接收上面發(fā)光二極管照射下來的光線，處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，形成與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的頻率信號，通過計數(shù)器計數(shù)，換算后得到實際風(fēng)速值。 （ 2）熱敏式風(fēng)速計： 基于熱原理的硅風(fēng)速傳感器，在流體中存在一個熱源，通過測量熱源周圍的溫度場分布或熱源的熱損失，來得到關(guān)于流體的信息。硅的熱流量傳感器有三種工作原理分別為熱損失型風(fēng)速傳感 器，熱溫差型風(fēng)速傳感器以及熱脈沖型風(fēng)速傳感器 熱損失型風(fēng)速傳感器一般含有一個單元，其同時作為加熱單元和測溫單元，熱損失型風(fēng)速傳感器測量單個加熱單元的總的熱損失量。因為大多數(shù)材料的電阻率隨溫度而變化，所以，可以通過測量電阻的變化反映風(fēng)速的大小。熱損失型風(fēng)速傳感器可以工作在恒功率和恒溫差兩種工作方式。在恒功率下，通過測量加熱單元的溫度而得到風(fēng)速大小，恒功率的反應(yīng)時間取決于加熱單元的熱電容和傳熱速率。 熱溫差型一般含有一個加熱單元和兩個對稱的測溫單元，當(dāng)加熱表面被不一致的冷卻時，對稱測溫單元能測量對稱點的溫度，其溫 度差和風(fēng)速成一定的函數(shù)關(guān)系，同時溫差的正負(fù)符號反映風(fēng)向的信息；熱脈沖型則通過測量脈沖在流體中傳輸速度反映流體的速度。熱線風(fēng)速計在小風(fēng)速時靈敏度較高，適用于對小風(fēng)速測量。 （ 3）皮托管式風(fēng)速計： 標(biāo)準(zhǔn)皮托管是一根彎成直角的金屬細(xì)管 ,它由感測頭、外管、內(nèi)管、管柱與全壓、靜壓引出導(dǎo)管等組成。在皮托管頭部的頂端 ,迎著來流開有一個小孔 ,小孔平面與流體流動方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方 ,環(huán)繞管壁的外側(cè)又開了多個小孔 ,流體流動的方向與這些小孔的孔面相切。頂端的小孔與側(cè)面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進(jìn)入皮托管頂 端小孔的氣流壓力 (稱為全壓 ) ,除了流體本身的靜壓 ,還含有流體滯止后由動能轉(zhuǎn)變來的那部分壓力 ,而進(jìn)入皮托管側(cè)面小孔的氣流壓力僅僅是流體的靜壓 ,根據(jù)全壓和靜壓即可求出動壓 ,從而求出流體的流速。 （ 4）超聲波式風(fēng)速計： 當(dāng)超聲波在空氣中傳播時，受到風(fēng)速的影響，順風(fēng)和逆風(fēng)情況下存在一個時間差，基于這個原理可制成的時差法超聲波風(fēng)速測量儀表。采用超聲波進(jìn)行氣體流速測量可以采用三種形式時差法、多普勒法和渦街風(fēng)速測量。 時差法是根據(jù)超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算流速的，最早應(yīng)用于超聲波流量計，它適用于大、 中口徑管道及敞開水道流量的測量，此法受溫度影響比較大。多普勒法適用于不潔凈流體的測量，而渦街法適用于管道流體流速的測量。 （ 5） 壓力 式風(fēng)速計 : 當(dāng)風(fēng)在傳播過程中，對阻礙它前進(jìn)的物體會有一個壓力，利用風(fēng)對阻礙它傳播而產(chǎn)生的壓力可以制成一個壓力傳感器。壓力傳感器把風(fēng)對它的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)電信號的大小來求出風(fēng)速的大小。 (6)光電 式風(fēng)速計 : 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是 6 目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定 直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。當(dāng)風(fēng)在傳播時，風(fēng)速帶動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，光電碼盤與電動機(jī)同軸，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而求出風(fēng)速值。 風(fēng)向測量方法 風(fēng)向傳感器： 風(fēng)向傳感器的感應(yīng)組件為前端有輔助標(biāo)版的單板式風(fēng)向標(biāo)。本設(shè)計角度變化采用四位格雷碼光電碼盤。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)時，通過主軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，沒轉(zhuǎn)動一定度數(shù)，位于碼盤上下兩側(cè)的四組發(fā)光與接收光電器件就會產(chǎn)生一組新的四位并行格雷 碼，進(jìn)過整形、倒相后輸出。方位 角度 格雷碼 二進(jìn)制碼對照表時風(fēng)向測量單片機(jī)編程的重要依據(jù)。 7 第 2 章 系統(tǒng)整體硬件電路分析設(shè)計 風(fēng)速風(fēng)向測量的硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，測風(fēng)速部分，測風(fēng)向部分以及顯示部分，風(fēng)速風(fēng)向的硬件系統(tǒng)框圖如圖 ： A T 8 9 S 5 2單 片 機(jī)電 源 電 路風(fēng) 向 采 集 電 路風(fēng) 速 采 集 電 路復(fù) 位 電 路晶 振 電 路顯 示 電 路 圖 硬件系統(tǒng)框圖 單片機(jī)部分 單片機(jī)型號 單片機(jī)是此系統(tǒng)的核心部件之一，因此單片機(jī)的選取影響整個系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的設(shè)計成本。單片機(jī)的選型直接影響著系統(tǒng)的反應(yīng)速度 ，功耗，系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)的成本。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算量大，工作任務(wù)繁重就要考慮用高級一點的單片機(jī)， 像 16 位的單 片機(jī)。在這里系統(tǒng)的任務(wù)量小，處理的數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜，對內(nèi)存要求不高，所以選 Atmel 公司的 AT89S52 單片機(jī) 。 ATMEL公司融入 Flash存儲器技術(shù)推出的 AT89系列單片機(jī)的最大特點就是在片內(nèi)含有 FLASH存儲