基于51單片機的風速測量儀設(shè)計

劉熙明 路世揚

摘 要：風速的測量對于社會生活和工業(yè)生產(chǎn)有重要的作用。本文利用三杯式風速傳感器和51單片機設(shè)計了一種風速測量儀，利用單片機控制ADC0832對風速傳感器輸出的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，計算出實時風速并顯示在LCD1602上面。經(jīng)過實際測試表明，所設(shè)計的風速測量儀基本能夠滿足測量要求。

關(guān)鍵詞：風速測量；三杯風速傳感器；單片機

*基金項目：國家自然科學基金項目（61462015）

風速是農(nóng)業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)中重要的氣象觀測數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的依靠人為手段去觀測和采集風速的方法并不十分準確，數(shù)據(jù)采集實時性不高，尤其是在惡劣條件下，很難實現(xiàn)依靠人為手段去觀測和獲取風力數(shù)據(jù)，利用自動化技術(shù)制作自動測量風速的測量儀器不僅僅是科技進步的要求，同時也是工農(nóng)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)過程中的內(nèi)在需要。

風速的測量對于預(yù)測與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)的天氣變化至關(guān)重要。在臺風、地震、海嘯等發(fā)生的時候，人們無法實地觀測到風速數(shù)據(jù)，只能通過自動氣象站實現(xiàn)對風速的觀測和采集，預(yù)測和規(guī)避自然災(zāi)害，盡可能降低自然災(zāi)害對人類生產(chǎn)活動的影響。

目前對于風速的觀測手段有人工觀察和自動氣象站測量兩類，人工觀察有很多缺點和不足，例如實時性差，精度低等，而且無法克服惡劣的氣候條件。自動氣象站則是通過熱式風速傳感器、三杯式風速傳感器、光耦感應(yīng)三杯式傳感器等傳感器來實現(xiàn)風速測量[1]。

1 系統(tǒng)方案及硬件電路設(shè)計

1.1 整體系統(tǒng)方案

整個系統(tǒng)要能實時測量（0.2～30） m/s范圍內(nèi)的風速，并把所測量到的風速實時顯示出來。通過分析，選用了FS系列三杯風速傳感器作為風速傳感器。該傳感器使用24 V直流電源供電，使用LCD1602液晶顯示器顯示風速，利用微處理器進行數(shù)據(jù)處理[2-3]。整個系統(tǒng)由風速測量模塊、單片機模塊、風速顯示模塊、供電模塊組成，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

1.2 電源電路方案

系統(tǒng)電源電路部分需要為單片機最小系統(tǒng)提供+5 V直流電源，同時需要為三杯風速傳感器提供24 V直流電源，考慮到整個電路的+5 V部分需求功率較小，且整體功耗均不高的情況，直接使用市場上現(xiàn)有的直流+24 V/+5 V開關(guān)電源作為供電電源，經(jīng)過測試完全能夠滿足系統(tǒng)需求。

1.3 主控制器設(shè)計方案

本系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)不多，運算程度不復雜，使用STM32系列32位微控制器會造成資源浪費，而且STM32方案外圍電路比較復雜，需要比較精準的電源，這些都將會造成系統(tǒng)實用性和性價比降低，因此采用8位微控制器STC89C51單片機作為主控制器即可[4]。

單片機最小系統(tǒng)主要由主芯片、時鐘發(fā)生電路，復位電路組成，時鐘發(fā)生電路主要為整個單片機的運行提供精準的時鐘信號，使單片機的程序運行不會出現(xiàn)混亂。

1.4 風速測量方案設(shè)計

風速測量模塊主要實現(xiàn)對風力數(shù)據(jù)的采樣和輸出。三杯風速測量傳感器是一種用于測量風速的傳感器，通過查閱數(shù)據(jù)手冊可知，該傳感器在有風的時候吹動風杯帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，其傳感器內(nèi)集成的電路可把風速轉(zhuǎn)換成為0～5 V的模擬信號輸出，其模擬電壓單片機無法直接處理，因此需要在傳感器的信號輸出和單片機輸入之間接入ADC轉(zhuǎn)換電路，把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便單片機處理。從表1可以看到不同的風速對應(yīng)的風級和強度[5-7]。

ADC轉(zhuǎn)換電路選用ADC0832作為轉(zhuǎn)換芯片，無需外圍電路，結(jié)構(gòu)簡單。風速變換裝置的風速測量最小值Vmin=0.2 m/s，測量最大值Vmax=30 m/s，而其模擬量輸出最小值Umin=0 V，Umax=5 V。

因此風速v和電壓U之間具有以下對應(yīng)關(guān)系：

風速測量模塊接口電路如圖3所示，三杯風速測量傳感器采用+24 V直流供電，另外一根為數(shù)據(jù)線，輸出0～+5 V的模擬量信號，輸出的信號通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把風速傳感器輸出的模擬量變換為數(shù)字量，送到單片機進行顯示，ADC0832和單片機之間則使用SPI總線進行通信傳輸風速數(shù)據(jù)。

1.5 顯示電路方案設(shè)計

顯示電路在本設(shè)計中主要用于顯示風速和風力等級，所需顯示的數(shù)據(jù)格式如下：SPEED：XX.XXm/s，wind scale：x。例如，SPEED： 23.5 m/s，wind scale：9，表示當前風速是23.5 m/s，風力等級為9級。

利用LCD1602顯示風速，LCD1602是一種能夠同時顯示16個×2行字符的液晶顯示器，能顯示的數(shù)據(jù)格式有：數(shù)字，字母，ASCII字符等等。該液晶通過三位控制總線和8位并行數(shù)據(jù)總線進行控制顯示。

如圖4所示，液晶顯示電路用LCD1602作為顯示器件，具有電路接口簡單的特點，圖4中的液晶接口分為電源接口、讀寫控制接口、讀寫數(shù)據(jù)接口，八位并行數(shù)據(jù)總線和單片機的P0口相連接，而讀寫控制線和單片機的P2口連接。滑動變阻器的作用是調(diào)節(jié)液晶對比度，便于優(yōu)化顯示效果。

2 軟件程序設(shè)計

整個系統(tǒng)由單片機控制ADC0832將風速傳感器輸出的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后把數(shù)字量換算出相應(yīng)的數(shù)值并發(fā)送到LCD1602上顯示出來。因此整個系統(tǒng)的軟件程序分為系統(tǒng)初始化子程序模塊、ADC轉(zhuǎn)換子程序模塊、液晶顯示控制模塊，整個系統(tǒng)上電之后，單片機先調(diào)用初始化函數(shù)，完成對液晶屏和ADC0832的硬件初始化，讓液晶顯示器顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)，初始化完畢后，控制ADC0832完成ADC轉(zhuǎn)換并計算出速度，并對風速進行分級，傳送數(shù)據(jù)到LCD1602顯示出來，主程序流程見圖5。

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)組裝完畢后，需要對軟硬件的各項功能進行調(diào)試。先進行硬件調(diào)試，硬件調(diào)試完畢后再進行軟件調(diào)試。

3.1 硬件測試

首先分別對各電路模塊做功能性驗證，第一步是進行單片機最小系統(tǒng)的功能調(diào)試，硬件焊接完成之后，通過下載一個LCD1602的初始化顯示程序到單片機中觀察液晶顯示器是否正常顯示字符。燒錄程序后能夠正常顯示字符，說明單片機最小系統(tǒng)及液晶顯示模塊能夠正常運行。隨后測量三杯風速傳感器的信號輸出，通過測試，傳感器能正常輸出0～+5 V模擬信號。之后測試ADC0832的功能，ADC0832功能測試是利用一個電位器產(chǎn)生模擬量輸入，把ADC0832的驅(qū)動程序燒錄進去，能夠正常讀取電壓值，再將傳感器輸出信號作為ADC083的輸入，綜合測試能夠采集風速傳感器的電壓值并通過液晶顯示出來。因此整個硬件測試基本通過，圖6是整個硬件系統(tǒng)組裝完成的電路實物圖。

3.2軟件調(diào)試

因為系統(tǒng)不涉及到精確的時序控制，且無需實現(xiàn)比較復雜的數(shù)學運算，所以使用C語言編寫程序，開發(fā)環(huán)境采用Keil。在開發(fā)環(huán)境中建立好工程之后，編寫代碼，把編譯通過的代碼通過USB下載線下載到單片機中即可運行。

在整個系統(tǒng)的各功能模塊子程序測試通過之后，即可把所有功能模塊組裝在一起，然后根據(jù)系統(tǒng)流程圖和設(shè)計思想，把整個系統(tǒng)的軟件按照流程圖和算法指引，逐步調(diào)用子程序，完成系統(tǒng)功能。

4 測試與總結(jié)

4.1 實驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計風速采集記錄儀測量風速的準確性，在相同環(huán)境下利用標準風速測量儀和所設(shè)計的風速采集儀進行對照實驗，因?qū)嶋H條件限制，無法產(chǎn)生14 m/s以上的大風，實驗結(jié)果見表2。

4.2 結(jié)果討論

從表2的實驗結(jié)果中可以看出，所設(shè)計的風速測量儀風速測量結(jié)果和標準儀器測量結(jié)果一致性好，最大誤差為0.71%，具有較高精度，能夠滿足農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生產(chǎn)及生活所需，具有較強實用價值。

參考文獻：

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