【正文】 .......................................................................................................... 31 軟件調(diào)試 .................................................................................................................................................................. 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。 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。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。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。 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)對農(nóng)業(yè)也會產(chǎn)生消極作用。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)還造成土壤風(fēng)蝕、沙丘移動，而毀壞農(nóng)田。牧區(qū)的大風(fēng)和暴風(fēng)雪可吹散畜群，加重凍害。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。營造防風(fēng)林，設(shè)置風(fēng)障等更是有效的防風(fēng)方法。 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。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。 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。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。人造衛(wèi)星的遙感遙測都與傳感器緊密相關(guān)。 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。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 。 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。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。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。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。 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。 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。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。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。 （ 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。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。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。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。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。 （ 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。 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。 （ 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。 (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。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。 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)。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。 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。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)。 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存儲器，并且是以 8031為核心構(gòu)成的。 AT89S52主要性能： ● 8KB可改編程序 Flash存儲器（可經(jīng)受 1000次的寫入 /擦除）。 ● 3級加密程序存儲器。 ● 32條可編程 I/O線。 ● 8個中斷源。 ●低功耗空閑和掉電模式 ●掉電后中斷可喚醒 ●看門狗定時器 ●雙數(shù)據(jù)指針 ●掉電標(biāo)識符 對于雙列直插封轉(zhuǎn)方式的 AT89S52，其引腳排列如圖 : 8 P 1. 0/ T 21P 2. 021P 1. 1/ T 2E X2P 2. 122P 1. 23V C C40P 1. 34P 1. 78P 0. 039P 3. 0/ R X D10P 3. 1/ T X D11P 1. 45P 0. 138P 3. 4/ T 014P 1. 56P 0. 237P 1. 67X T A L 218X T A L 119V S S20P 0. 336R S T / V P D9P 0. 435P 3. 2/ I N T 012P 0. 534P 3. 3/ I N T 113P 0. 633P 3. 5/ T 115P 0. 732P 3. 6/ W R16E A / V P P31P 3. 7/ R D17A L E / P R O G30P S E N29P 2. 728P 2. 223P 2. 627P 2. 324P 2. 526P 2. 425U1A T 89 S 52C10 u fR10kS W P B+5X T A LC30 p fC30 p f 圖 單片機(jī)電路 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 硬件系統(tǒng)的主電路設(shè)計 風(fēng)速風(fēng)向系統(tǒng)的主電路設(shè)計主要有（ 1）系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計；（ 2）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計；（ 3）電源電路設(shè)計； ? 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計 系統(tǒng)時鐘電路的設(shè)計如圖 ，于時間要求不是很高的系統(tǒng)，只要按圖進(jìn)行設(shè)計就能使系統(tǒng)可靠起振，并穩(wěn)定運(yùn)行，但由于圖中的 C C2 電容起著系統(tǒng)時鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，因此， 在實際應(yīng)用中一定要注意正確選擇參數(shù)，一般在 5～ 30pF。復(fù)位電路的實現(xiàn)通常有兩種方式：即專用監(jiān)控電路和 RC復(fù)位電路。對于復(fù)位要求高的場合，大多采用這種方式。 RC復(fù)位電路的實質(zhì)是一階充放電電路，現(xiàn)結(jié)合圖 31 所示，說明這種復(fù)位電路的特點。單片機(jī)復(fù)位電路如圖 ： 圖 RC 復(fù)位電路 10 ? 電源電路的設(shè)計 在整個單片機(jī)系統(tǒng)中，電源的設(shè)計是需要首先考慮，這決定了系統(tǒng)式采用是單電源方案還是多電源方案，系統(tǒng)的功耗有無特殊規(guī)定等。 單片機(jī)的電源設(shè)計包含 3 個內(nèi)容，一方面是如何降低電源的功耗 。 設(shè)計電源首先要解決供電電流，估計供電電源的壽命，確定系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)。 本文的電源設(shè)計除主要考慮到系統(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