基于51單片機的風(fēng)速測量儀設(shè)計*

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61462015)

作者簡介：劉熙明（1993—），男貴州畢節(jié)人，碩士，助理工程師，主要從事自動控制、嵌入式控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)方面研究。

路世揚（1991—），男，貴州畢節(jié)人，主要從事智慧礦山和智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面研究。

引言

風(fēng)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(fēng)速的方法并不十分準(zhǔn)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(fēng)力數(shù)據(jù)，利用自動化技術(shù)制作自動測量風(fēng)速的測量儀器不僅僅是科技進(jìn)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(fēng)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(fēng)、地震、海嘯等發(fā)生的時候，人們無法實地觀測到風(fēng)速數(shù)據(jù)，只能通過自動氣象站實現(xiàn)對風(fēng)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(fēng)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(fēng)速傳感器、三杯式風(fēng)速傳感器、光耦感應(yīng)三杯式傳感器等傳感器來實現(xiàn)風(fēng)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(fēng)速，并把所測量到的風(fēng)速實時顯示出來。通過分析，選用了FS 系列三杯風(fēng)速傳感器作為風(fēng)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(fēng)速，利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理^[2-3]。整個系統(tǒng)由風(fēng)速測量模塊、單片機模塊、風(fēng)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(fēng)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(fù)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(fù)雜，需要比較精準(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)的時鐘信號，使單片機的程序運行不會出現(xiàn)混亂。

1.4 風(fēng)速測量方案設(shè)計

風(fēng)速測量模塊主要實現(xiàn)對風(fēng)力數(shù)據(jù)的采樣和輸出。三杯風(fēng)速測量傳感器是一種用于測量風(fēng)速的傳感器，通過查閱數(shù)據(jù)手冊可知，該傳感器在有風(fēng)的時候吹動風(fēng)杯帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，其傳感器內(nèi)集成的電路可把風(fēng)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(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)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(fēng)速變換裝置的風(fēng)速測量最小值V_min=0.2 m/s，測量最大值V_max=30 m/s，而其模擬量輸出最小值U_min=0 V，U_max=5 V。

因此風(fēng)速v 和電壓U 之間具有以下對應(yīng)關(guān)系：

由此可換算出v 和U 之間的函數(shù)關(guān)系為：

通過該式（1）、（2）即可換算出風(fēng)速大小。但是由于傳感器本身需要至少在風(fēng)速為0.2 m/s 的時候才能開始工作，因此上式所計算出的實際值應(yīng)該加上0.2 m/s，最終v 和U的關(guān)系見式（3）。

風(fēng)速測量模塊接口電路如圖3 所示，三杯風(fēng)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(fēng)速傳感器輸出的模擬量變換為數(shù)字量，送到單片機進(jìn)行顯示，ADC0832 和單片機之間則使用SPI 總線進(jìn)行通信傳輸風(fēng)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(fēng)速和風(fēng)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(dāng)前風(fēng)速是23.5 m/s，風(fēng)力等級為9 級。

利用LCD1602 顯示風(fēng)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(jìn)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?；瑒幼冏杵鞯淖饔檬钦{(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(fēng)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(fēng)速進(jìn)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(jìn)行調(diào)試。先進(jìn)行硬件調(diào)試，硬件調(diào)試完畢后再進(jìn)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(jìn)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(fēng)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(jìn)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(fēng)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(fù)雜的數(shù)學(xué)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(fēng)速采集記錄儀測量風(fēng)速的準(zhǔn)確性，在相同環(huán)境下利用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速測量儀和所設(shè)計的風(fēng)速采集儀進(jìn)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(fēng)，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(fēng)速測量儀風(fēng)速測量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)：

[1] 張浩然,肖東岳.基于單片機的風(fēng)能密度測試儀設(shè)計[J].電子制作,2018(15):23-24+50.

[2] 吳啟強.超聲波三維風(fēng)速測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2019.

[3] 高培嚴(yán),田明,陳銀峰,等.電磁式風(fēng)速儀的設(shè)計制作[J].大學(xué)物理實驗,2018,31(4):73-76.

[4] 陳為星,劉為國.基于STM32的風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2018,37(10):85-88.

[5] 王凱,蔣曙光,吳征艷,等.煤礦井下便攜式智能風(fēng)速測量儀的設(shè)計[J].礦山機械,2009,37(14):31-33.

[6] 崔文婷,.基于STM32的風(fēng)機測速儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2014(8):107-111.

[7] YIN X,LI X,LV J,et al.Design of Hot-bulb Probe Low-Pressure Wind Speed Calibration System[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2019(2):022098

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）