基于单片机的便携式风速风向监测系统的设计

许美珏

(安徽商贸职业技术学院 电信系，安徽 芜湖 241002)



基于单片机的便携式风速风向监测系统的设计

许美珏

(安徽商贸职业技术学院 电信系，安徽 芜湖 241002)

摘要：介绍了一种便携式风速风向检测系统,该系统将STC89C52单片机作为控制核心,将风速、风向传感器作为相关信息采集模块，最终数据用1602液晶屏显示，并给出了硬件设计图和软件流程图.

关键词：STC单片机；风速；风向；监测

风作为自然界的一种自然现象，它的存在是一把双刃剑.人类可以利用这种无污染且可再生的资源来发电，可以有效缓解能源紧张、环境污染，这种新型的发电方式对于风速、风向的特性的监测非常重要.而在农业生产过程中，对于风的影响也是不得不考虑的问题，比如什么情况下可以撒播种子，什么情况下可以喷洒农药，要考虑风的影响.因为风的存在，农作物间病虫害会传染.大风天气会使农作物叶片受伤、农作物倒伏、花落果落从而大大影响产量.而通过有效的风速、风向检测大大减少风力对植物的伤害，减少风这种自然灾害对于农田造成的经济损失.因此，对风能的研究对人类生活的质量改进有非常大的意义，这就需要我们要有更好的方法去监测风,从而更好地利用、研究风能.

本文设计的系统是利用风速和风向传感器来作为风能信号的采集工具，采集来的模拟量的风能信号通过A/D转换电路处理后送交给系统的控制核心STC89C51单片机来处理.单片机将最终处理完的结果即监测的数据再利用LCD1602液晶屏显示出来.该系统体积小，成本低，使用方便.图1为便携式农田风速风,向系统监测设计功能图.

1风速、风向检测工作原理及方法

本设计使用的EC9-1测风传感器具有很高的性价比(如图2所示).该传感器包括用风杯测风速的风速传感器、用风标测风向的风向传感器以及对应的支架.其材质为碳纤维增强型塑料，具有很好的防腐能力同时动态特性得到改善.EC9-1系列传感器的测试灵敏度很好、具有很好的动态特性和较宽的测量范围，同时线性精度也很高，具有较好的互换性，对于强风也有很好的适应性，因此EC9-1系列传感器的诸多优点性能保证了其在工农业、交通业、气象等诸多部门的测量风量的需要.

图1　系统设计功能

图2　EC9-1测风传感器

EC9-1型风向传感器支架除了用作固定风速传感器和风向传感器之外，电缆的转接也在支架内完成.该测风系统的风速传感器一般测出的是水平风力的强度，其测量单位是“m/s”.而风向传感器用来测量风的方向，其测量单位是“度”.该传感器的主要性能指标如表1所示.

表1　测风传感器主要性能指标

1.1风速测量方法

图3　格雷码光电码盘

风速的测量是通过风速传感器采集信号，相应的感应元件是一种三杯式的风杯，将采集的风力信号通过信号变换电路(霍尔集成电路)变换处理后，得到很多脉冲，通过脉冲的个数来判断风力的强度.[1]具体的工作过程是：系统通电后，风杯组受到水平风力的作用产生旋转，并带动主轴旋转，主轴又带动相连的磁棒盘旋转.由于有数十只小磁体被装在磁棒盘上，当磁棒盘旋转时其上面的小磁体恰好正对霍尔磁敏元件3144LU时，3144LU就会导通并由OUT端输出低电平信号，之后随着磁棒盘继续旋转，小磁体又偏离3144LU导致3144LU截止，并在OUT端输出高电平，从而在OUT输出端采集到一个脉冲，当水平风力强度越大，每秒采集到的脉冲数就越多，产生的脉冲信号频率会随着风速的增强而呈线性地增加，这样风速的计算就转换为脉冲频率的计算.相应的转换电路中VCC的工作电压采用+5 V，GND表示接地的接头装置，OUT端为数据输出端口.将每秒钟采集的脉冲个数除以10得到的结果即为测得的风速.例如，每秒采集的脉冲数为54，则此时测得的水平风速瞬时值应为5.4 m/s.

1.2风向测量方法

通过单板式风向标来作为EC9-1风向传感器进行风向的测量，该单板式风向标前端装有辅助标板.风向角度变化的检测是通过七位格雷码光电码盘进行的，该码盘如图3所示.码盘最外圈进行了127等分处理从而能够感应到128个不同风向，因而其分辨率为2.812 5°.

具体的工作过程是：进行风向测量时，风向标在风力作用下旋转并带动主轴旋转，主轴又带动光电码盘旋转，每当旋转了2.812 5°后，就会有一组新的七位并行格雷码从码盘上下侧的七组发光与接收光电组件产生，并经过整形、倒相电路后将信号输出.

在风向测量电路中,Vcc接+5 V电压，GND与地连接.其中D1至D7是相应的数据接口，测量时所采用的是二进制方式，注意读取的数值并非风向的直接结果，需要将读取的二进制信息通过查询格雷码表(如表2所示)才能得出风的实际方向.[2]

表2　风向判断对照表

2硬件电路设计

本设计包含的硬件有：检测模块包括风速、风向传感器，显示模块1602液晶屏，供电单元电路，A/D转换电路，晶振、复位电路以及STC89C51构成的单片机最小系统，如图4所示为系统的硬件结构示意图.

图4　硬件电路结构图

图5　电源电路模块示意图

2.1电源电路模块设计

电源电路模块为系统供应电能，含有保护、滤波、稳压等作用，如图5所示为电源电路模块示意图.电源电路模块使用了集成电路LM317，这种集成电路所使用的电路形式是极为简单的三端稳压电路结构，其能够输出连续可调的电压因而被广泛采用.[3]另外该电路同时还具有电压调节范围(可以在1.2 V~37 V之间调节，同时提供大于1.5 V的电流)、低噪音、稳压效果好、纹波抑制比高等诸多优点.

2.2A/D转换电路设计

本系统采用了TLC549芯片作为A/D转换电路的核心芯片，该芯片产自美国德州仪器公司，其性价比非常高.该芯片工作时采用的是8位开光电容逐次逼近法来进行A/D转换因而具有8位串行A/D转换功能.一般工作状态下其转换时间小于18 μs，最大转换速率可以达到40 kHz,因而工作效率非常高.该芯片内部系统时钟频率为4 MHz，工作电压介于3 V到6 V之间.CS、DATA OUT、CLK三条口线主要用于在系统中与CPU以及相关控制线进行串口连接，该A/D转换电路的误差率很低，通常是介于-0.5 LSB~+0.5 LSB之间，其误差率很低，范围在±0.5 LSB之间，并且耗能很低其典型值为 6 mW，由于采用了差分参考电压高阻输入方式，因而具有很强的抗干扰性.图6为A/D转换器硬件连接图.

图6　A/D转化器接线示意图

2.3显示模块

本系统采用了LCD1602液晶屏芯片将测得的风速、风向值直观地显示出来，方便直观地看到数据.如图7所示为1602芯片在电路中的连接方式示意图.

3软件电路设计

根据系统工作过程特点，该系统可以分为数据采集传输模块，数据显示模块等几个部分进行软件设计.其中数据采集传输模块流程图如图8所示，首先进行单片机的初始化，然后风速、风向传感器在外力风的作用下工作并将采集的信号送给单片机处理，单片机接收到串口的数据并判断是否符合命令的数据，是则进行相应的命令分析，是属于风速还是风向采集模块，然后分别执行相关的程序并将处理完的数据信息通过串口发送出去.[4]如果不是符合命令的数据，则继续等待串口数据.

图7　1602液晶屏接线示意图

图8　数据采集传输模块流程图

4结果分析

在实验过程中，通过相关设备来不断改变风力强度从而改变风速，改变设备的位置来使风向发生变化.这些变化的情况，被风速、风向传感器采集到后经过A/D转换，送交单片机处理后将相应的结果在液晶屏LCD1602上显示出来.实验表明不同方向上的风速值在一定误差范围内基本是相同的，误差产生的主要原因是记录数据存在误差和外界风力源因素，这些说明系统基本是稳定可靠的.测量数据如表3所示，图9为系统实物远景图及数据显示模块图.

表3　系统测量数据

图9　实物远景图及数据显示模块图

5结语

通常作为实际的农田风速风向检测用装置需要具有较好的抗雷击能力，且需观测方便、性能稳定可靠，安装携带方便等.本文设计的风速风向检测系统基本具有了所需功能.且该系统具有断电保护、实时将风速、风向变化情况显示出来.实验证明本系统电路结构简单、体积小、成本低、实现容易，且测量数据有着较高的准确性和可靠性.

[参考文献]

[1]冯澜，万军红.风速与风力智能测定装置的设计[J].上海电机学院学报，2005，8(3)：22-23.

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3]张伟，刘引龙.基于51单片机自动断电插座的设计[J].西安文理学院学报(自然科学版),2014,17(4)：53-57.

[4]万蓉凤,修春波,卢少磊.基于ZigBee技术的风速测量系统的设计[C].2013年中国智能自动化学术会议论文集(第四分册)，2013-08-24.

[责任编辑王新奇]

Design of the Portable Wind Speed and Direction Monitoring SystemBased on Microcontroller

XU Mei-jue

( Department of Communication, Anhui Business College of Vocational Technology，Wuhu 241002, China )

Abstract：In this paper, a portable wind speed and direction detection system is introduced, and it uses STC89C52 microcontroller as the main part. The system uses wind speed and wind direction sensor as the data acquisition module and shows the final data on 1602 LCD. The hardware design and software flow chart are given in this article.

Key words：STC microcontroller; wind speed; wind direction; monitor

中图分类号：TK81

文献标志码：A

作者简介：许美珏(1984—)，男，江苏泗洪人，安徽商贸职业技术学院电信系助教，硕士，主要从事电子与通信工程，智能控制研究.

收稿日期：2015-10-15

文章编号：1008-5564(2016)01-0031-05