【正文】 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(hào) 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(gè)系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。 ● 3級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)通常有兩種方式：即專用監(jiān)控電路和 RC復(fù)位電路。 單片機(jī)的電源設(shè)計(jì)包含 3 個(gè)內(nèi)容，一方面是如何降低電源的功耗 。 7805主要特點(diǎn)： （ 1）輸出電流可達(dá) 1A （ 2）輸出電壓 :+ 5V （ 3）過(guò)熱保護(hù) （ 4）短路保護(hù) 電源電路如圖 ： 11 T R A N S220V12V1234B R I D G E1 32V VGNDIN OUT7 8 0 51 U F 1 U F5V+1 0 0 U F 圖 電源電路圖 風(fēng)速測(cè)量的設(shè)計(jì) 風(fēng)速傳感器 由于風(fēng)的壓力是小于 2KP的，所以要選用一個(gè)微壓傳感器，這 里選用美國(guó)的 SMI系列硅微壓傳感器SM5551001D。 SM5551001D特性： 1）無(wú)需校準(zhǔn)即能提供線性度優(yōu)于 1%的傳感信號(hào)，因此是一種性能優(yōu)越、集成化的單片硅器件。它有5 個(gè)引出腳，其中 “+” 、 “ ” 為兩個(gè)信 號(hào)輸入端， “V+” 、 “V ” 為正、負(fù)電源端， “Vo” 為輸出端。 。相同功能的器件還有 ADC0834，ADC0838， ADC0831。 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32μS ； CS_ 片選使能，低電平芯片使能 ； 其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘脈沖， DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。直到第 11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。這里我們選用的芯片是 LM016L。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 前者成為碼盤(pán) ，后者稱碼尺．按照讀出方式編 碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是 “ 1” 還是 “ 0” ；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是 “ 1” 還是 “ 0” ，通過(guò) “ 1” 和 “ 0”的二進(jìn)制 編碼來(lái)將采集來(lái)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存 。四位二進(jìn)制的碼盤(pán)各圈圓環(huán)分 別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。為了消除非單值性誤差，可采用以下的方法 : （ 1）循環(huán)碼盤(pán)（格雷碼盤(pán)）： 循環(huán)碼習(xí)慣上又稱格雷碼，它也是一種二進(jìn)制編碼，只有“ 0”和“ 1”兩個(gè)數(shù)。 LED 是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管來(lái)顯示文字、圖形、圖像等各種信息的顯示屏幕 ，在智能儀表中應(yīng)用較多。此外，由于要顯示的數(shù)字為 BCD碼，而七段數(shù)碼管的顯示模型為七段代碼，所以在顯示之前必須把 BCD碼轉(zhuǎn)換成七段代碼。軟件的開(kāi)發(fā)工具我們用 KEIL C。 uchar ndat=0。 _nop_()。 ADDI=channelamp。 ADDI=(channel1)amp。 dat=0。 _nop_()。 ADCLK=1。 if(i7)ndat=1。 Unsigned int Wind_Gray=0。 while (Wind_Gray1) Wind_Drct^=Wind_Gray。它運(yùn)行于 Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：①實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。 Proteus仿真實(shí)驗(yàn)可以直觀的看到設(shè)計(jì)的效果，利用仿真可以節(jié)約設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本。 系統(tǒng)電路仿真圖如圖 : 30 圖 風(fēng)向電路仿真圖 仿真分析 Proteus軟件的仿真是依靠單片機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此先將程序通過(guò)第三方 Keil C51軟件編譯，連接，執(zhí)行后產(chǎn)生一個(gè) HEX文件，再與 Proteus仿真軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)仿 真。然后再檢查晶振 電路是否起振了，此，現(xiàn)在已經(jīng)很少有用外部擴(kuò) ROM的了），一定要將 EA引腳拉高，否則會(huì)出現(xiàn)程序亂跑的情況。確認(rèn)電源電壓是否正常。 系統(tǒng)電路仿真圖如圖 。③提供軟件調(diào)試功能。這是一個(gè)易于使用的具有大量元件庫(kù)的原理圖編輯器，主要用于原理圖的設(shè)計(jì)。 if (KBA4==1) Wind_Gray+=0x0008。 dat=8。 _nop_()。 } for(i=0。 ADCLK=1。 ADCLK=0。 ADCLK=0。 ADCLK=0。 _nop_()。將 HEX文件導(dǎo)入到單片機(jī)里，用 PROTEUS與 KEIL C聯(lián)調(diào)，就完成了。然后給出程序的流程圖，并通過(guò)他進(jìn)行軟 件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。只要使不同段的發(fā)光二極管或小數(shù)點(diǎn)發(fā)光，可改 變所顯示的數(shù)字或字母。 （ 2）帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)： 這種碼盤(pán)是在四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)的最外圈再增加一圈信號(hào)位。工作時(shí)，碼盤(pán)的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。由于光電碼盤(pán)與 電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)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(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖 所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。內(nèi)，所以可以用零位參考點(diǎn)對(duì)每圈的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)位，輸出復(fù)位信號(hào)到單片機(jī)，即使斷電或者其他原因引起測(cè)量滯后也沒(méi)有影響，因?yàn)樗臏y(cè)量結(jié)果只與前后的位置有關(guān)。 15 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí) ADC0832 的輸入電壓是 0~5V 且 8 位分辨率時(shí)的電壓精度為。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“ 0”、“ 0”時(shí)，將 CH0 作為正輸入端 IN+， CH1 作為負(fù)輸入端 IN進(jìn)行輸入。 單片機(jī)對(duì) ADC0832的控制原理： 正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、 DI。 DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制 ； C to +70176。 8 位分辨率； 串行 AD 轉(zhuǎn)換器 ADC0832 的使用單片機(jī)控制系統(tǒng)中通常要用到 AD 轉(zhuǎn)換，根據(jù)輸出格式，常用的 AD轉(zhuǎn)換方式可分為并行 AD 和串行 AD。C to +70176。 LM324 系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。其以硅為材料制成，具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，采用輕細(xì)微機(jī)械加工和多次蝕刻制成惠斯通電橋于硅膜片上，當(dāng)硅片上方受力時(shí)產(chǎn)生變形，電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)而失去電橋平衡，輸 出與壓力成比例的電信號(hào)。 本文的電源設(shè)計(jì)除主要考慮到系統(tǒng)的供電外還考慮到電源的方便性，所以本文采用的是市電供電方式，解決了電池供電的麻煩，但是市電所帶來(lái)的問(wèn)題主要有電壓過(guò)高且不穩(wěn)定，市電是交流電，沒(méi)辦法直接使用，所以本文 設(shè)計(jì)了專用的電源電路，原理如圖 ： 交 流 電 源 變 壓 器 整 流 電 路 濾 波 電 路 穩(wěn) 壓 電 源 負(fù) 載Ut tttUUU 圖 電源設(shè)計(jì)原理圖 為了給系統(tǒng)提供可靠的電流，變壓器選用 220V12V2A 的變壓器，整流采用二極管全橋整流方式，將負(fù)向電流整合成正向，為了整流安全，二極管中流過(guò)的最大電流應(yīng)大于流過(guò)的平均電流，二極管的反向電壓峰值應(yīng)比二極管在電路中承受的最高反向電壓大一倍左右，因此可以選用 2C12D二極管。 RC復(fù)位電路的實(shí)質(zhì)是一階充放電電路，現(xiàn)結(jié)合圖 31 所示，說(shuō)明這種復(fù)位電路的特點(diǎn)。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 ● 8個(gè)中斷源。 ATMEL公司融入 Flash存儲(chǔ)器技術(shù)推出的 AT89系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有 FLASH存儲(chǔ)器，并且是以 8031為核心構(gòu)成的。 風(fēng)向測(cè)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)。 時(shí)差法是根據(jù)超聲波信號(hào)順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)計(jì)算流速的，最早應(yīng)用于超聲波流量計(jì)，它適用于大、 中口徑管道及敞開(kāi)水道流量的測(cè)量，此法受溫度影響比較大。熱線風(fēng)速計(jì)在小風(fēng)速時(shí)靈敏度較高，適用于對(duì)小風(fēng)速測(cè)量。轉(zhuǎn)速可以用電觸點(diǎn)、測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電計(jì)數(shù)器等記錄。隨著電子技術(shù)、計(jì)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(cè)速系統(tǒng)得到了不斷的發(fā)展與完善，功能更強(qiáng)大。為了使傳感器的測(cè)量精度，穩(wěn)定性和可靠性都較高，同時(shí)避免繁瑣的機(jī)械傳動(dòng)，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 。 4 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)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(kāi)始進(jìn)行測(cè)量則是有很久的歷史，在奴隸社會(huì)初期，我國(guó)的人們就開(kāi)始進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量以及判斷，只是那個(gè)時(shí)候的測(cè)量方法是通過(guò)旗幟來(lái)判斷的，一旗幟飄揚(yáng)的方向以及平率來(lái)進(jìn)行判斷風(fēng)向風(fēng)速，這種方法只能進(jìn) 行簡(jiǎn)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(cè)量有一定的發(fā)展，但是在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候依舊是只能進(jìn)行判斷，而無(wú)法得出準(zhǔn)確的值 ,但是現(xiàn)在使用傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量就能夠了解到某一時(shí)刻的準(zhǔn)確的風(fēng)向風(fēng)速，同時(shí)還能進(jìn)行計(jì)算某一段的風(fēng)向風(fēng)速的平均值。由海上吹來(lái)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(shù)的開(kāi)花、座果和谷類作物的灌漿。風(fēng)對(duì)農(nóng)業(yè)也會(huì)產(chǎn)生消極作用。 本文介紹了用 AT89S52 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)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(duì)于風(fēng)速該系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)。它能傳播病原體，蔓延植物病害。防御風(fēng)害，多采用培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗風(fēng)品種。目前， 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動(dòng)流水生產(chǎn)線，全自動(dòng)加工設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們?cè)诤侠砘剡M(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。 研究的內(nèi)容 風(fēng)速風(fēng)向是經(jīng)常需要采集的一個(gè)參數(shù)，由于機(jī)械式的風(fēng)速 傳感器響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，體積大，而且價(jià)格比較貴，要實(shí)現(xiàn) 在一個(gè)不是很廣闊的地方測(cè)量風(fēng)速就會(huì)比較難，所以本課題研究的是設(shè)計(jì)一個(gè)小型的測(cè)量系統(tǒng)，此測(cè)量風(fēng)速系統(tǒng)要電路簡(jiǎn)單，精度高，體積小，成本低，容易實(shí)現(xiàn)。傳感器的種類越來(lái)越多。當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)主軸帶動(dòng)多齒轉(zhuǎn)盤(pán)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(lái)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(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，換算后得到實(shí)際風(fēng)速值。 （ 3）皮托管式風(fēng)速計(jì)： 標(biāo)準(zhǔn)皮托管是一根彎成直角的金屬細(xì)管 ,它由感測(cè)頭、外管、內(nèi)管、管柱與全壓、靜壓引出導(dǎo)管等組成。多普勒法適用于不潔凈流體的測(cè)量，而渦街法適用于管道流體流速的測(cè)量。本設(shè)計(jì)角度變化采用四位格雷碼光電碼盤(pán)。所以，它和 8051系列單片機(jī)是兼容的。 ●全雙工 UART串行通道。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。系統(tǒng)按鍵按下時(shí)該電路提供有效的復(fù) 位信號(hào) RST（高電平），同時(shí)電容被短路放電；按鍵松開(kāi)時(shí)， VCC 對(duì)電容充電，充電電流在電阻上， RST 依然為高電平，仍然復(fù)位，充電完成后，電容相當(dāng)于開(kāi)路， RST為低電平，正常工作。濾波電路的電容器較大，所以一般采用電解電容器，其具有極性，選擇時(shí)還要考慮耐壓。 SM5551001D壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)換成電流 /電壓的器件，可用于測(cè)量壓力、位移等物理量。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。C 封裝類型 :SOIC 3dB帶寬增益乘積 : 變化斜率 : 器件標(biāo)號(hào) :324 器件標(biāo)記 :LM324AD 增益帶寬 : 工作溫度最低 :0176。并行方式一般在轉(zhuǎn)換后可直接接收，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，但需要軟件處理才能得到所需要的數(shù)據(jù)。 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； C ，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 ?40176。 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出 ； 但由于 DO端與 DI端在通信時(shí)并未同 時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“ 0”、“ 1”時(shí)，將 CH0作為負(fù)輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。如果作為由 IN+與 IN輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值 設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。絕對(duì)式編碼器的精度與它的位數(shù)有關(guān)，也就是他的輸出信號(hào)線的多少，精度計(jì)算公式為 F=360176。 17 光 源透 鏡碼 盤(pán)透 鏡光 敏 元 件放 大 整 形脈 沖 波 形轉(zhuǎn) 軸 圖 光電編碼器原理圖 絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取碼盤(pán)上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。碼盤(pán)轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。圖 7所示就是帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)。 LED 七段數(shù)碼管根據(jù)其內(nèi)部 LED 的連接方法不同可分成共陰極和共陽(yáng)極兩種接法。為了充分發(fā)揮單片機(jī)的智能化作用及降低成本，對(duì)于那些可用軟