基于單片機的風能密度測試儀設計

張浩然，肖東岳

（南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南南陽，473004）

0 引言

近年來，由于科技的發展和提高，各國能源的消耗也是日益增多，不可開再生的能源被逐步消耗。人們為了長久的發展和可持續性發展，便把目光投向了可再生能源，其中風能是主要代表之一。判斷一個地區是否有開發風能的潛力的一個重要的參數就是風能密度。風能密度測試儀應該盡量選用有較高測量精度、測量范圍較廣、能夠在各種惡劣環境中正常運行的相關設備，并且也要選用市面上經常用到的穩定性較好的材料來組成電源、通信以及數據存儲設備。

1 系統總體設計

衡量一個地方風能大小、評價一個地區風能潛力，風能密度是最方便和最有價值的考察參數。風能密度是空氣在單位時間內垂直通過單位截面積所產生的能量[1]。風能密度的單位為瓦每平方米，其公式為：

其中w為瞬時風能密度，ρ為空氣密度，v為瞬時風速，p為大氣壓強，V為氣體體積，n為氣體分子物質的量，R為普適氣體常量，T為熱力學溫度，m為氣體質量單位為千克，M為氣體的相對分子質量。

由公式(1)(2)(3)可得：

由此可見M和R為已知常量，所以測量出壓強p和熱力學溫度T即可，經過整合后有

其中k為常量。

綜上，要想獲得風能密度需要測量三個物理量，即氣壓氣溫和風速。系統設計方案的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統設計方案整體框圖

2 系統各單元硬件選型與設計

2.1 單片機控制電路設計

單片機的選型決定了整體系統的性能以及工作速度，考慮到工作效率、存儲空間和掉電保存功能，本設計中選用的單片機型號為STC89C52。STC89C52單片機是宏晶科技公司推出的一個功耗較低、性能優越的單片機，它使用了經典的MCS—51內核，可以當作一般的51單片機使用[2]。

2.2 氣壓溫度測量模塊電路設計

由于測量實時氣壓的同時還要測量實時溫度，故采用BMP180帶有溫度數據采集的氣壓傳感器模塊。BMP180可以通過I2C總線直接與各種單片機相連接。BMP180芯片中包含有電阻式壓力傳感器、A/D轉換器和控制單元，其中控制單元包括儲存有176位標準數據的EEPROM 和 IIC 接口。在本設計中所測得的氣壓和氣溫的數值就需要用BMP180芯片內部的 EEPROM 中的標準數據進行補償[3]。該模塊1、2兩個引腳分別接電源正極、電源負極，由于3、4兩個引腳為串行時鐘線和串行數據線，所以分別接到單片機的P2.0和P2.1口。在本設計中上拉電阻選用10kΩ電阻。

2.3 風速測量模塊電路設計

風速模塊用來測量實時風速，本設計選用YGC—FS風速傳感器，其工作電壓為5V。由于風速傳感器2號引腳為脈沖引腳，用來傳輸信號，風速傳感器的脈沖引腳連接單片機的外部中斷引腳，在中斷服務程序中進行脈沖計數，便可以得到風速。風速傳感器的2號引腳直接與STC89C52單片機的P3.2引腳連接，通過外部中斷的方式記輸出脈沖，再轉換成具體風速數值。

2.4 液晶顯示模塊電路設計

為了使監測人員能夠直觀的查看到風能密度的數值，所以選擇了功能較多、顯示效果較好的LCD1602來完成本設計的顯示，LCD1602工作在5V的電壓之下。LCD1602的8位數據口D0—D7與P0.0—P0.7相連。VL引腳是用來調節背光的對比度，要和電位器相連接，通過扭動電位器來調節背光亮度[4]。在本設計中選用了10kΩ可調電阻；RS、E這兩個控制信號引腳分別和P2.6、P2.7、相連；由于只用到向LCD1602寫入數據，所以R/W引腳直接接地。

3 系統各單元軟件設計

3.1 主程序設計

在主程序中主要任務是進行各個模塊的初始化操作，首先裝入初始值，再開定時器及外部中斷，進入大循環等待一秒定時的到來，以此用來記錄風速傳感器的脈沖數。讀取傳感器測出的溫度和壓強，并對其進行數值轉換，對風速傳感器的脈沖計數并進行數據的計算,計算風能密度。在測試儀工作時，計數總時間以及達到設置的風能密度的時間，刷新液晶顯示。系統主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 系統主程序流程圖

圖3 BMP180模塊程序流程圖

3.2 氣壓溫度測量模塊程序設計

單片機發送啟動信號開始測量氣壓和氣溫，經過轉換時間4.5ms后，其所得結果便可由I2C接口讀取。此時的溫度和壓強的單位不是標準單位，這時就要調用EEPRPM中的標準數據，便可把溫度的單位轉換為攝氏度，壓強的單位轉換為帕。BMP180模塊程序流程圖如圖3所示。

3.3 風速測量模塊程序設計

首先初始化定時器，裝入初值并開啟定時器中斷，然后開啟外部中斷，在外部中斷中記錄脈沖數，定時器中斷達到20次即一秒時讀取脈沖數進行數據轉換，再清空脈沖數。當脈沖信號頻率為零時，風速示值也為零，當脈沖信號頻率不為零時，風速示值為0.1+0.0875×脈沖信號頻率[5]。風速模塊的程序流程圖如圖4所示。

3.4 液晶顯示模塊程序設計

LCD1602顯示的字符儲存在內部的DDRAM存儲器中，DDRAM字節地址空間為0x80到0xFF，一共有128個字節，其中第一行顯示的數據儲存在前64個字節中，第二行顯示的內容儲存在后64個字節中，寫入其中的字符用ASCII碼來表示。LCD1602液晶的讀操作流程為首先判斷RS電平來確定是讀數據還是讀指令，RS為低電平時為讀指令，RS為高電平時為讀數據。讀命令是指讀忙標志或地址，數據的讀取是從1602的RAM中讀出。液晶顯示模塊的程序流程圖如圖5所示。

圖4 風速模塊的程序流程圖

圖5 液晶顯示模塊的程序流程圖

4 結論

在經過硬件電路調試，確認各個部分模塊工作沒有問題后，將程序通過燒錄軟件下載到單片機上，通電進行系統調試，顯示值與手動計算與大致相等。

基于單片機的風能密度測試儀可使測試者更方便、更直觀的獲得所在區域的風能密度情況，以及顯示出超過某一設定的風能密度所累計時間，這是考察一個地區風能潛力的重要依據之一。