一種光電式風速風向測量系統

賈玉鳳+宋成祥

摘 要 本文以STC89CS52單片機為核心給出了風速風向測量系統的硬件及軟件設計方案，系統的硬件分為電源部分，風速采集部分，風向采集部分，單片機部分等；軟件部分的設計采用模塊編程，并且詳細介紹了光電編碼技術在風速風向測量中的應用。

【關鍵詞】單片機 光電編碼器 LED 測量

1 設計方案

系統設計要求在單片機的控制下完成風速風向的采樣工作，并根據不同的風速，采用M法和T法進行計算，并顯示測量的風速，根據風向的情況自動測量并顯示。本次設計的電路主要有風速風向采集電路，STC89CS52單片機系統，顯示電路，復位電路，軟件設計包括基本采集模塊，系統模塊，顯示模塊等設計，大致設計的思路如圖1所示。

風速風向儀的硬件系統包括單片機系統，測風速部分，測風向部分以及顯示部分，風速風向儀的硬件系統框圖如圖2。

2 軟件設計

2.1 主程序流程圖

STC89C52單片機使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。首先是要對STC89C52進行初始化。初始化內容包括定時器、中斷系統及各個單元內容的初始化。然后進入到主程序中，開始對脈沖信號進行采樣、處理這里是程序設計的關鍵。

2.2 轉速測量方法

轉速測量方法可以主要分為三類：

2.2.1 機械rpm轉速測量

通過機械測量傳感器采集數據，是最古老的rpm轉速測量方法。傳感器采集到的轉速資料，還要通過儀器內部的電子分析。這種測量方法仍被應用，但大多數用于20至10000rpm的低轉速測量。這種測量方法在測量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點是加載運動不連續。另外，機械轉頻閃法測量rpm轉速不可應用于細微物體，如果轉動率過高，易發生滑走情況。

2.2.2 采用反射原理的電力轉速測量法（光學rpm轉速測量法）

測量儀器發射出的紅外線經固定在待測目標上的反射條反射后，即攜帶上有關轉速信息。測量儀器接收反射波后，經過處理即可得到轉速。這種測量方法雖然要比機械rpm測量法先進，但是并非所有持待測目標上都可以安裝反射條。

2.2.3 頻閃rpm轉速測量法

按照頻閃原理，當高速閃光的頻率和目標的rpm轉速（移動）同步時，在觀察者的眼中，目標是靜靜止的。同其它的測量方法如機械法或光學傳感器法直比，頻閃原理的優點顯而易見：這種方法可以用于測量小型目標或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測目標上固定反射條。例如，如用于生產過程測量時，便不需中止。測量范圍：100至20000rpm。除了測量rpm轉速外，頻閃測量法還可用于振動分析和動作監控。

對于不同形式的測量方法其測量范圍如圖3所示。

目前，在以光電編碼器構成的測速系統中，常用的數字式轉速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測時間內，測量所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速，比較適合于高速場合；T法是測量相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速，適合速度比較低的場合；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。

2.3 測量方法比較

T法適合速度比較低的場合，當轉速較高時其準確性較差；而M法其性能特點正好與T法相反，比較適合于高速場合，M/T法則是前兩種方法的結合，在整個速度范圍內都有較好的準確性，但對于低速，該方法需要較長的檢測時間才能保證結果的準確性。三種方法的各項性能比較如表1所示：

表1 中，m1、m2：檢測時間間隔內的脈沖計數值（分別對應M、T法）；T為規定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號的個數；fc為T法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）；n是電機每分鐘的轉速；Ttach為圓光柵測速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表1可知：從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應計數值m較大，當檢測時間Tg選定后（一般不應過長，以保證測量條件不變且速度快，實現測量快速性），只有被測轉速n較高或圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號個數P較多，才能使m1較大。對于P給定情況，只有n大時，m1才大。可見M法適于高速測量。經類似分析可知T法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。

從檢測時間來看，M法的檢測時間與轉速無關，T法的檢測時間隨著轉速的增加而減小，若M/T法犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。

從計算方法來看，M法與T法較為簡單，而M/T法的計算較為復雜。

2.4 轉速測量方案選定

對于一個轉速檢測系統來說，其關鍵在于能夠使測速結果在整個轉速范圍內的準確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動態響應要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采用兩種方式進行檢測：對應于低速段，采用T法。

2.5 風向測量方案選定

測風向采用風帶動風向標旋轉并帶動主軸，可以使用機械式測量或者傳感測量，機械式測量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現在已經很少采用。傳感器測量采用各種方向傳感器進行方向測量的一種方法，按其信號輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對式光電編碼器，其輸出的信號可以是BCD碼，可以直接被單片機接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個原因，本文實物部分可能與設計有不同）。而且絕對式編碼器有一個零位參考點，風向要求單圈測量，范圍在0-360°內，所以可以用零位參考點對每圈的測量結果進行復位，輸出復位信號到單片機，即使斷電或者其他原因引起測量滯后也沒有影響，因為他的測量結果只與前后的位置有關。絕對式編碼器的精度與它的位數有關，也就是他的輸出信號線的多少，精度計算公式為

3 系統的調試

3.1 硬件調試

為安全起見，首先必須進行斷電調試。確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復位引腳電壓是否正常。分別測量按下復位按鈕和放開復位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現在已經很少有用外部擴ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會出現程序亂跑的情況。如果系統不穩定的話，有時是因為電源濾波不好導致的。在單片機的電源引腳跟地引腳之間接上一個0.1uF的電容會有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統不穩定時，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。

3.2 軟件調試

結構化軟件的調試一般可以將重點放在分模塊調試上，統調是最后一環。軟件調試可以采取離線調試和在線調試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統的支持。但對于經驗豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗，觀察關鍵現象。以

參考文獻

[1]方嚴軍，孫健.智能儀器技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]楊志忠，衛樺林，郭順華.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]陳梓城，方勤.模擬電子技術[M].北京：高等教育出版社出版社，2003.

作者單位

1.濟南職業學院 山東省濟南市 250000

2.山東科學院 山東省濟南市 250014endprint

摘 要 本文以STC89CS52單片機為核心給出了風速風向測量系統的硬件及軟件設計方案，系統的硬件分為電源部分，風速采集部分，風向采集部分，單片機部分等；軟件部分的設計采用模塊編程，并且詳細介紹了光電編碼技術在風速風向測量中的應用。

【關鍵詞】單片機 光電編碼器 LED 測量

1 設計方案

系統設計要求在單片機的控制下完成風速風向的采樣工作，并根據不同的風速，采用M法和T法進行計算，并顯示測量的風速，根據風向的情況自動測量并顯示。本次設計的電路主要有風速風向采集電路，STC89CS52單片機系統，顯示電路，復位電路，軟件設計包括基本采集模塊，系統模塊，顯示模塊等設計，大致設計的思路如圖1所示。

風速風向儀的硬件系統包括單片機系統，測風速部分，測風向部分以及顯示部分，風速風向儀的硬件系統框圖如圖2。

2 軟件設計

2.1 主程序流程圖

STC89C52單片機使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。首先是要對STC89C52進行初始化。初始化內容包括定時器、中斷系統及各個單元內容的初始化。然后進入到主程序中，開始對脈沖信號進行采樣、處理這里是程序設計的關鍵。

2.2 轉速測量方法

轉速測量方法可以主要分為三類：

2.2.1 機械rpm轉速測量

通過機械測量傳感器采集數據，是最古老的rpm轉速測量方法。傳感器采集到的轉速資料，還要通過儀器內部的電子分析。這種測量方法仍被應用，但大多數用于20至10000rpm的低轉速測量。這種測量方法在測量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點是加載運動不連續。另外，機械轉頻閃法測量rpm轉速不可應用于細微物體，如果轉動率過高，易發生滑走情況。

2.2.2 采用反射原理的電力轉速測量法（光學rpm轉速測量法）

測量儀器發射出的紅外線經固定在待測目標上的反射條反射后，即攜帶上有關轉速信息。測量儀器接收反射波后，經過處理即可得到轉速。這種測量方法雖然要比機械rpm測量法先進，但是并非所有持待測目標上都可以安裝反射條。

2.2.3 頻閃rpm轉速測量法

按照頻閃原理，當高速閃光的頻率和目標的rpm轉速（移動）同步時，在觀察者的眼中，目標是靜靜止的。同其它的測量方法如機械法或光學傳感器法直比，頻閃原理的優點顯而易見：這種方法可以用于測量小型目標或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測目標上固定反射條。例如，如用于生產過程測量時，便不需中止。測量范圍：100至20000rpm。除了測量rpm轉速外，頻閃測量法還可用于振動分析和動作監控。

對于不同形式的測量方法其測量范圍如圖3所示。

目前，在以光電編碼器構成的測速系統中，常用的數字式轉速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測時間內，測量所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速，比較適合于高速場合；T法是測量相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速，適合速度比較低的場合；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。

2.3 測量方法比較

T法適合速度比較低的場合，當轉速較高時其準確性較差；而M法其性能特點正好與T法相反，比較適合于高速場合，M/T法則是前兩種方法的結合，在整個速度范圍內都有較好的準確性，但對于低速，該方法需要較長的檢測時間才能保證結果的準確性。三種方法的各項性能比較如表1所示：

表1 中，m1、m2：檢測時間間隔內的脈沖計數值（分別對應M、T法）；T為規定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號的個數；fc為T法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）；n是電機每分鐘的轉速；Ttach為圓光柵測速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表1可知：從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應計數值m較大，當檢測時間Tg選定后（一般不應過長，以保證測量條件不變且速度快，實現測量快速性），只有被測轉速n較高或圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號個數P較多，才能使m1較大。對于P給定情況，只有n大時，m1才大。可見M法適于高速測量。經類似分析可知T法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。

從檢測時間來看，M法的檢測時間與轉速無關，T法的檢測時間隨著轉速的增加而減小，若M/T法犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。

從計算方法來看，M法與T法較為簡單，而M/T法的計算較為復雜。

2.4 轉速測量方案選定

對于一個轉速檢測系統來說，其關鍵在于能夠使測速結果在整個轉速范圍內的準確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動態響應要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采用兩種方式進行檢測：對應于低速段，采用T法。

2.5 風向測量方案選定

測風向采用風帶動風向標旋轉并帶動主軸，可以使用機械式測量或者傳感測量，機械式測量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現在已經很少采用。傳感器測量采用各種方向傳感器進行方向測量的一種方法，按其信號輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對式光電編碼器，其輸出的信號可以是BCD碼，可以直接被單片機接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個原因，本文實物部分可能與設計有不同）。而且絕對式編碼器有一個零位參考點，風向要求單圈測量，范圍在0-360°內，所以可以用零位參考點對每圈的測量結果進行復位，輸出復位信號到單片機，即使斷電或者其他原因引起測量滯后也沒有影響，因為他的測量結果只與前后的位置有關。絕對式編碼器的精度與它的位數有關，也就是他的輸出信號線的多少，精度計算公式為

3 系統的調試

3.1 硬件調試

為安全起見，首先必須進行斷電調試。確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復位引腳電壓是否正常。分別測量按下復位按鈕和放開復位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現在已經很少有用外部擴ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會出現程序亂跑的情況。如果系統不穩定的話，有時是因為電源濾波不好導致的。在單片機的電源引腳跟地引腳之間接上一個0.1uF的電容會有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統不穩定時，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。

3.2 軟件調試

結構化軟件的調試一般可以將重點放在分模塊調試上，統調是最后一環。軟件調試可以采取離線調試和在線調試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統的支持。但對于經驗豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗，觀察關鍵現象。以

參考文獻

[1]方嚴軍，孫健.智能儀器技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]楊志忠，衛樺林，郭順華.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]陳梓城，方勤.模擬電子技術[M].北京：高等教育出版社出版社，2003.

作者單位

1.濟南職業學院 山東省濟南市 250000

2.山東科學院 山東省濟南市 250014endprint

摘 要 本文以STC89CS52單片機為核心給出了風速風向測量系統的硬件及軟件設計方案，系統的硬件分為電源部分，風速采集部分，風向采集部分，單片機部分等；軟件部分的設計采用模塊編程，并且詳細介紹了光電編碼技術在風速風向測量中的應用。

【關鍵詞】單片機 光電編碼器 LED 測量

1 設計方案

系統設計要求在單片機的控制下完成風速風向的采樣工作，并根據不同的風速，采用M法和T法進行計算，并顯示測量的風速，根據風向的情況自動測量并顯示。本次設計的電路主要有風速風向采集電路，STC89CS52單片機系統，顯示電路，復位電路，軟件設計包括基本采集模塊，系統模塊，顯示模塊等設計，大致設計的思路如圖1所示。

風速風向儀的硬件系統包括單片機系統，測風速部分，測風向部分以及顯示部分，風速風向儀的硬件系統框圖如圖2。

2 軟件設計

2.1 主程序流程圖

STC89C52單片機使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。首先是要對STC89C52進行初始化。初始化內容包括定時器、中斷系統及各個單元內容的初始化。然后進入到主程序中，開始對脈沖信號進行采樣、處理這里是程序設計的關鍵。

2.2 轉速測量方法

轉速測量方法可以主要分為三類：

2.2.1 機械rpm轉速測量

通過機械測量傳感器采集數據，是最古老的rpm轉速測量方法。傳感器采集到的轉速資料，還要通過儀器內部的電子分析。這種測量方法仍被應用，但大多數用于20至10000rpm的低轉速測量。這種測量方法在測量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點是加載運動不連續。另外，機械轉頻閃法測量rpm轉速不可應用于細微物體，如果轉動率過高，易發生滑走情況。

2.2.2 采用反射原理的電力轉速測量法（光學rpm轉速測量法）

測量儀器發射出的紅外線經固定在待測目標上的反射條反射后，即攜帶上有關轉速信息。測量儀器接收反射波后，經過處理即可得到轉速。這種測量方法雖然要比機械rpm測量法先進，但是并非所有持待測目標上都可以安裝反射條。

2.2.3 頻閃rpm轉速測量法

按照頻閃原理，當高速閃光的頻率和目標的rpm轉速（移動）同步時，在觀察者的眼中，目標是靜靜止的。同其它的測量方法如機械法或光學傳感器法直比，頻閃原理的優點顯而易見：這種方法可以用于測量小型目標或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測目標上固定反射條。例如，如用于生產過程測量時，便不需中止。測量范圍：100至20000rpm。除了測量rpm轉速外，頻閃測量法還可用于振動分析和動作監控。

對于不同形式的測量方法其測量范圍如圖3所示。

目前，在以光電編碼器構成的測速系統中，常用的數字式轉速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測時間內，測量所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速，比較適合于高速場合；T法是測量相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速，適合速度比較低的場合；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。

2.3 測量方法比較

T法適合速度比較低的場合，當轉速較高時其準確性較差；而M法其性能特點正好與T法相反，比較適合于高速場合，M/T法則是前兩種方法的結合，在整個速度范圍內都有較好的準確性，但對于低速，該方法需要較長的檢測時間才能保證結果的準確性。三種方法的各項性能比較如表1所示：

表1 中，m1、m2：檢測時間間隔內的脈沖計數值（分別對應M、T法）；T為規定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號的個數；fc為T法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）；n是電機每分鐘的轉速；Ttach為圓光柵測速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表1可知：從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應計數值m較大，當檢測時間Tg選定后（一般不應過長，以保證測量條件不變且速度快，實現測量快速性），只有被測轉速n較高或圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號個數P較多，才能使m1較大。對于P給定情況，只有n大時，m1才大。可見M法適于高速測量。經類似分析可知T法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。

從檢測時間來看，M法的檢測時間與轉速無關，T法的檢測時間隨著轉速的增加而減小，若M/T法犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。

從計算方法來看，M法與T法較為簡單，而M/T法的計算較為復雜。

2.4 轉速測量方案選定

對于一個轉速檢測系統來說，其關鍵在于能夠使測速結果在整個轉速范圍內的準確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動態響應要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采用兩種方式進行檢測：對應于低速段，采用T法。

2.5 風向測量方案選定

測風向采用風帶動風向標旋轉并帶動主軸，可以使用機械式測量或者傳感測量，機械式測量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現在已經很少采用。傳感器測量采用各種方向傳感器進行方向測量的一種方法，按其信號輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對式光電編碼器，其輸出的信號可以是BCD碼，可以直接被單片機接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個原因，本文實物部分可能與設計有不同）。而且絕對式編碼器有一個零位參考點，風向要求單圈測量，范圍在0-360°內，所以可以用零位參考點對每圈的測量結果進行復位，輸出復位信號到單片機，即使斷電或者其他原因引起測量滯后也沒有影響，因為他的測量結果只與前后的位置有關。絕對式編碼器的精度與它的位數有關，也就是他的輸出信號線的多少，精度計算公式為

3 系統的調試

3.1 硬件調試

為安全起見，首先必須進行斷電調試。確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復位引腳電壓是否正常。分別測量按下復位按鈕和放開復位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現在已經很少有用外部擴ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會出現程序亂跑的情況。如果系統不穩定的話，有時是因為電源濾波不好導致的。在單片機的電源引腳跟地引腳之間接上一個0.1uF的電容會有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統不穩定時，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。

3.2 軟件調試

結構化軟件的調試一般可以將重點放在分模塊調試上，統調是最后一環。軟件調試可以采取離線調試和在線調試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統的支持。但對于經驗豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗，觀察關鍵現象。以

參考文獻

[1]方嚴軍，孫健.智能儀器技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]楊志忠，衛樺林，郭順華.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]陳梓城，方勤.模擬電子技術[M].北京：高等教育出版社出版社，2003.

作者單位

1.濟南職業學院 山東省濟南市 250000

2.山東科學院 山東省濟南市 250014endprint