基于51单片机的风速风向采集系统设计

林梅辉

（福建省海洋预报台，福建 福州350003）

05106型风传感器专用于海上和航海对风的测量，传感器有专门的防水轴承润滑剂，一个密封重型电缆尾取代了标准连接盒，提供单独的电压或电流输出信号调节。

风速传感器是一个4片螺旋推进器，推进器旋转产生一个AC正弦波电压信号，频率与风速直接成比例，移除了集电环与电刷以增加可靠性。

风向传感器是一个牢固且重量轻的风向标，具有足够低的纵横比以保证在摇动有风条件下有较好的保真度。其通过一密封的精密电位计来感知叶轮角。一个已知的激励电压作用于电位计，输出电压直接与叶轮角成比例[1]。

1 采集系统整体结构

电源模块为整个系统供电，调试软件通过串口对单片机进行调试，使整个系统能够完成正常采集和显示功能。风传感器将获取的风速风向信号转换为电信号，电信号经过信号处理电路后连接至单片机，经过单片机数据处理后，将最终得到的风速风向数据用LCD显示出来。如图1所示，该系统主要由电源模块、单片机、信号处理电路和显示模块组成。

图1 系统结构框图

2 电源模块

2.1 220 V交流电转换12 V直流电

如图2所示，变压器将220 V交流电转换为16 V交流电，桥式整流电路将16 V交流电转换为直流电，通过电容电感滤波后得到大约16 V直流电[2]。使用7812电源芯片将16 V直流电转换为12 V直流电。这个12 V直流电将为05106风传感器供电。硬件部分使用一个开关控制电源的通断，使用发光二极管更直观地检查硬件通电情况，方便系统的维护。

2.2 12 V电压转5 V电压

使用7805电源芯片将12 V直流电转换为5 V直流电，这个5 V直流电将给单片机和显示模块供电。转换电路如图3所示。

图3 12 V转5 V电路图

3 微处理器模块

本系统采用ATMEL的AT89C51型单片机,它是一种低电压、高性能8位CMOS微处理器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51具有以下标准功能：4 KB Flash闪速存储器，128 B内部 RAM，32个 I/O 口线，两个 16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，它可降至0 Hz的静态逻辑操作，支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

4 信号处理模块

4.1 风速处理电路

风吹动05106型风传感器，带动扇叶的旋转，在风速信号的引脚端口输出一个正弦信号，其频率与风速大小成正比，通过测量脉冲频率即可得到风速大小。风速与对应关系：

式中，V为风速，单位 m/s，F为频率，单位 Hz。

风传感器输出正弦信号的幅值最小为80 mV(风速0.49 m/s时)，最大为 8 V(风速 49 m/s时)。 此信号不能直接输入单片机,需要在输入端接共射级放大电路，对小信号进行放大，将电压幅值调整到单片机允许的输入电压范围内。由于共射级放大电路的最大输出电压不超过电源电压，经共射级放大电路放大后，信号变为单片机允许输入电压范围的正弦波，再将此正弦波接到施密特触发器74HC14进行整形滤波，转换为幅值固定的方波脉冲信号[3]。此信号接入单片机，由单片机端口中断功能对其进行计数，测量出频率，从而测量出风速。图4所示为风速处理电路图。需要注意的是，制作PCB板时，还需对图中74HC14重新选择封装。系统以采集到的10 min平均风速作为整点时刻的风速数据。

图4 风速处理电路图

4.2 风向处理电路

图5所示为风向处理电路，风向信号通过一个10 kΩ的电位计转换为电压信号。电压大小与风向激励电压大小有关。将风向输出范围通过两个电压跟随器和电阻分压进行调整，再通过ADC0809进行AD转换后与单片机P0口连接，通过式(2)转换为方位角[3]。系统以采集到的10 min平均风向作为整点时刻的风向数据。

式中，α为角度，u为电压。

图5 风向处理电路图

5 串口连接

系统设计阶段，上位机和下位机通过RS232进行测试。PC与RS232两者电气特性不匹配，为了实现两者通信，需要通过MAX232解决电平转换问题[4]。如图 6所示，外接电容用于电源电压变换，提高抗干扰能力[5]。

6 LCD1602连接

图6 RS232串口连接图

LCD1602是一款专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。显示的内容为16X2，它功耗低、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。单片机P1.2～P1.4口通过控制LCD1602的 RS（寄存器选择）、RW（读写信号线）和 EN（使能端）的时序，完成数据的传输和显示。在系统中加载显示模块，减轻了日后技术人员外业维护的工作量。

7 软件设计

风速风向采集系统主要采用模块化结构设计，整体构架围绕主要测试功能来设计，主要分成4个部分：(1)系统初始化，包含了处理器和液晶显示屏的初始化等；(2)数据采集，负责对信号处理电路转换后的风速风向信号的处理和分析；(3)等待中断，通过设置定时/计数器检测固定时间段的风信号；(4)屏幕显示，将处理后的数据通过液晶屏显示出来。其主要流程如图7所示。

图7 主程序流程图

8 上位机软件

上位机用Visual Basic6.0编程软件完成监控界面的设计。Visual Basic6.0既承载了其先辈所具有的程序设计语言简单易用的特点，其编程系统又引入了面向对象的机制，提供了一种可视界面的设计方法[6]。软件除了使用常用的控件外，还需添加3个控件完成上位机的开发设计。在“工程”菜单下选择“部件”，添加MSCOMM控件实现串口数据通信，添加FlexGrid控件实现用VB加载Excel对原始数据进行处理，添加winsock控件实现用网口进行数据传输。上位机监控界面如图8所示。

图8 上位机监控

本设计采用了AT89C51单片机，系统开发周期短，功耗低，电路简单实用。实验证明本系统能够精确采集风速风向信号。系统功能可以继续完善，例如通过加载MT8900-GPRS无线通信模块实现风速风向的远程网络化监测。

[1]山东省科学院海洋仪器仪表研究所.大型海洋环境监测浮标手册之二——传感器技术手册[S].2009.

[2]王枭，林平分.基于电力线通信的温度采集系统的设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13(7)：72-75.

[3]方芬，潘文亮，刘军亮，等.高精度海用风传感器接口设计及远程数据采集[J].仪表技术，2010，12(12)：68-70.

[4]曾粤，刘妍.基于RS232接口的称量数据采集系统[J].电气时代，2011(2)：92-93.

[5]葛磊蛟，毛一之，李歧，等.基于 C语言的RS232串行接口通信实现[J].河北工业大学学报，2008，37(6)：11-16.

[6]周垚，魏晋宏.基于MSP430单片机的矿井水文测量系统设计[J].仪表技术与传感器，2013(7)：95-98.