·新能源·基于单片机的风速检测系统

书书书　第３０卷第６期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．６　　　２００８年６月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎ．２００８　　·新能源·基于单片机的风速检测系统Ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｒｏｃｅｓｓｏｒ邵玫ＳＨＡＯＭｅｉ（广州铁路职业技术学院，广东广州　５１０１００）（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲａｉｌｗａｙＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０１００，Ｃｈｉｎａ）摘　要：针对当前风速采集检测设备普遍体积大、质量大、数据需要有线传输而非常不便携的现象，选用ＡＴ８９Ｓ５１单片机设计了集数据采集、显示、传输于一体的便携式风速采集系统，同时采用模块化的设计理念，使该系统具有了电源独立供电、手持独立操作、数据传输方便的特点，对工业应用中风速采集检测系统的设计有一定的借鉴意义。关键词：单片机；便携式；风速采集；检测中图分类号：ＴＫ６　　　文献标志码：Ｂ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０６－００７４－０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｗｉｎｄｓｐｅｅｄｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｗｈｉｃｈｉｓｌａｒｇｅ，ｈｅａｖｙ，ａｎｄｗｉｒｅｆｏｒｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｐｏｒｔａｂｌｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｏｆｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｒｏｃｅｓｓｏｒＡＴ８９Ｓ５１．Ｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｔｈｅｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｄｉｓｐｌａｙａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｒｅａｌｌｉｎｏｎｅ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｈａｎｄｈｏｌｄｏｐｅｒａｔｉｎｇ，ａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｐｏｒｔａｂｌｅ；ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ收稿日期：２００８－０３－２８１　测风装置概述风力发电已成为当今世界的主流能源之一。目前，风力发电已成为世界上公认的最接近商业化、市场竞争力最强的可再生能源技术之一，与太阳能和生物能源等其他可再生能源发电技术相比，风能具有产业成熟度高、发电成本低、自然环境和社会环境影响好等优点。风力发电占用土地资源少，资金回收期短，一般不会产生明显的自然生态影响，在社会上引起的争议很少，能较快实现规模化发展。随着风力发电的快速发展，风速的测量也被日益重视起来。对于风速的采集与测量，不同的应用场合有不同的测量方法，常见的方式有：采用皮托管测量风速，其基本原理是通过测量风速经过时在皮托管上的静压与动压之差来计算风速；采用热气球测量风速，其基本原理是通过测量风在吹过热气球时气球的振动频率，进而换算出风速等。风速测量的基本原理大致相似，都是通过某个敏感元件的某个特征量的变化来计算获得风速，只是存在测量精度上的区别。现代工业现场控制过程中，常常需要对现场的风速进行采集与检测，通常的做法是采用风速仪，通过记录风速仪上的叶片因风转动而引起的脉冲数，再通过程序转换成叶片的转圈数，进而换算成风速，将信号接入计算机，实现风速的数据回放或曲线显示。这样的风速采集系统原理简单，成本不高，但其最大的缺陷是采集系统体积庞大、机动性差，对于需要测量多点风速的场合并不适用，若采取各点均布置风速传感器的方案，则成本会大幅上升，控制方案也会变得复杂，因此，传统的风速采集系统由于不具备便携性而无法应用于多点风速采集测量的场合。本文的设计旨在解决这一突出问题。该设计的基本原理是将风速的感应装置（传感器）与采集运算系统合而为一，为该装置设计采集系统、数据存储　·２·华电技术第３０卷　系统，同时留出数据传输接口，在必要时可以方便地与计算机进行连接，以实现数据的转移与后期处理。该风速采集系统的基本构成框架如图１所示。图１　便携式风速测量装置在图１中，风速传感器将测得的风速直接转换为数字信号输入单片机系统，由单片机负责数据的运算、存储和显示，同时预留出与ＰＣ机进行数据传输的接口（ＵＳＢ接口或串行通信２３２接口）。这样即可将风速测量系统与后期的数据采集、处理、运算结合在一起，与ＰＣ机的联系断开，实现了可移动性测量，具有一定的便携性。２　传感器的工作原理及实现方法２．１　传感器工作原理为了实现该测量装置的便携性，减少外围设备和本身装置的体积，笔者采用脉冲式风速测量传感器作为该装置的风速采集传感器。脉冲式风速传感器的最大优点是原理简单、体积小、质量小，同时能够将风速模拟量直接转换成电子脉冲数，因其与单片机相连，只要在程序中建立“数”脉冲的程序，就能方便地实现风速的测量，省去了一般风速传感器还需要配置的Ａ／Ｄ转换模块的程序，大大提高了检测装置的便携性。脉冲式风速检测传感器的基本工作原理是风速带动感应元件———叶片转动，叶片转动引发光电编码器输出脉冲信号，通过对单位时间内脉冲信号的计数，实现风速的测量。２．２　检测方法传感器采用工程塑料叶片作为感应元件，当有风吹过时，带动叶片跟着转动，通过叶片轴部的光电编码器对转动的圈数进行标记和计数，同时每转动一圈，光电编码器输出一个阶跃脉冲信号，通过设计将光电编码器的输出与主ＭＣＵ单片机的输入管脚连接在一起，通过单片机内部的计数器即可实现对阶跃脉冲信号的计数，从而实现风速的测量，同时，也省略了Ａ／Ｄ转换模块，简化了风速检测系统的外围电路。３　检测系统的系统框图及说明检测系统的框图如图２所示，该风速检测系统主要由电源管理模块、主控制模块、存储模块、显示模块和通信模块５大部分构成。图２　风速检测系统结构构成框图出于便携的设计考虑，该装置采用普通的五号电池供电，而检测系统内部各个芯片的正常供电电压低于电池的供电电压，故需设计电源管理模块。电源管理模块主要采用ＤＣ－ＤＣ控制芯片，目的是为整个检测系统提供稳定的、足够的电流，保证各部分电路的正常工作。主ＭＣＵ控制芯片采用高性能的ＡＴ８９Ｓ５１芯片，该芯片具有一个低功耗，高性能的ＣＭＯＳ８位单片机，片内含８ｋＢｙｔｅｓＩＳＰ（Ｉｎｓｙｓｔｅｍｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）的可反复擦写１０００次的Ｆｌａｓｈ只读程序存储器，器件采用ＡＴＭＥＬ公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准ＭＣＳ－５１指令系统及８０Ｃ５１引脚结构，芯片内集成了通用８位中央处理器和ＩＳＰＦｌａｓｈ存储单元，功能强大的微型计算机的ＡＴ８９Ｓ５１可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。ＡＴ８９Ｓ５１具有如下特点：４０个引脚，８ｋＢｙｔｅｓＦｌａｓｈ片内程序存储器，１２８ｂｙｔｅｓ的随机存取数据存储器（ＲＡＭ），３２个外部双向输入／输出（Ｉ／Ｏ）口，５个中断优先级２层中断嵌套中断，２个１６位可编程定时计数器，２个全双工串行通信口，看门狗（ＷＤＴ）电路，片内时钟振荡器。此外，ＡＴ８９Ｓ５２设计和配置了振荡频率可为０Ｈｚ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，ＣＰＵ暂停工作，而ＲＡＭ定时计数器、串行口及外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ＲＡＭ的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时，该芯片还具有ＰＤＩＰ、ＴＱＦＰ和ＰＬＣＣ等３种封装形式，可适应不同产品的需求。由于风速采集在工业控制现场使用的比较频　第６期邵玫：基于单片机的风速检测系统·３·　图３　电源供电模块电路设计繁，尤其是在大型的、复杂的工业控制过程中，往往需要测量多点的风速值，数据存储量较大，因此，有必要为系统设计专门的存储模块。该检测系统采用与ＡＴ８９Ｓ５１芯片高度兼容的Ｆｌａｓｈ可擦写芯片，一方面便于大量数据的存储，另一方面能够满足数据的反复擦写。在风电场、煤矿等工业现场，需要现场采集并显示风速值，因此，需要专门的液晶显示模块以显示风速值；现场安全等因素决定了所采集的数据只能暂时存储在系统的Ｆｌａｓｈ芯片内部，等返回地面后才能传输到计算机内进行数据的分析和曲线显示。基于此，笔者为该检测系统设计了通信接口，采用当前流行的ＵＳＢ通信接口，实现了大量数据的高速、稳定、可靠传输。４　系统硬件电路的设计４．１　供电模块设计供电模块电路如图３所示，它的核心芯片采用ＬＴＣ系列ＤＣＤＣ转换芯片，能够将干电池的输出电压平稳地转换为芯片所需要的供电电压３．３Ｖ和５Ｖ２种标准输出。通过在ＬＴＣ芯片外围布置合理的电阻电容，能够有效的抑制电压输出的纹波效应，实现各个芯片的稳定正常工作。４．２　主控制模块与通讯模块设计主控制模块与通讯模块如图４所示，主控制芯片采用了ＡＴ８９Ｓ５１芯片，ＵＳＢ通信控制芯片采用了ＵＳＢＣｏｎｎｅｔ芯片。通过在ＭＣＵ芯片外围布置晶振电路、稳压电路、信号采集电路、信号输出电路、与存储芯片的连接电路以及与液晶显示控制芯片相接连的电路等，能够方便地实现对风速的采集、存储、显图４　主控制模块电路设计示与输出。４．３　数据存储模块设计数据存储模块电路设计如图５所示，该模块采用ＮＡＮＤＦｌａｓｈ系列芯片，通过软件程序编程可以实现，将所采集的风速值以时间为字头进行存储，同时该Ｆｌａｓｈ芯片高达４Ｍ的存储空间保证了足够的数据存储量，实现了长久数据的海量存储。４．４　数据显示模块设计考虑到现场需要，该风速检测系统设计了风速显示功能，对采集的风速值直接进行显示。该功能的实现是以液晶显示控制芯片３３１０为保障的。当主ＭＣＵ芯片完成风速的采集之后，一方面将数据传送至Ｆｌａｓｈ芯片进行存储，另一方面将数据传送至该显示控制芯片，以完成数据的实时显示，数据显示模块电路如图６所示。５　系统软件设计通过软件编程，可以对该风速采集系统的功能　·４·华电技术第３０卷　图５　数据存储模块电路设计图６　数据显示模块电路设计进行编程。该便携式风速采集系统具有如下功能：（１）实时采集风速值并实时存储数据；（２）当选择“显示”模式时，液晶屏能够实时显示风速值；（３）当ＵＳＢ连接计算机时，输入数据传输指令，能够自动将存储的风速数据传送到计算机中，以方便计算机的数据处理和分析显示；（４）当电源供电不足时，能够自动提示报警。具体的软件程序流程图如图７所示。图７　软件程序流程图６　应用情况针对传统的风速测量仪器，该风速检测系统采用了高性能的ＡＴ８９Ｓ５１单片机，通过选用合适的风速感应元件，使得该检测系统的风速检测具有测量简易、精度高、可单手操作以及便携等特点；另一方面，该风速检测系统在满足基本测量功能的基础上，大大简化了外围电路的设计，增加了数据实时显示、海量数据存储、数据传输及低电压报警等实用功能。目前，该便携式风速测量仪已经应用于山西大同煤矿、宁夏风力发电测试站等单位。现场应用显示，该装置具有操作方便、测量准确、与电脑通讯简易等特点。该风速检测系统适用于工况复杂且不具备测量仪器或需要移动式测量设备的工业控制现场，是值得大力推广的。参考文献：［１］张永枫．单片机应用实训教程［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００５．［２］王喜斌，胡辉，李叶紫．ＭＣＳ－５１单片机应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．［３］顾兴海，高富强，张帆．风速测量系统设计［Ｊ］．微计算机信息，２００５，２１（１）：５３－５４．［４］郑志强．风速监测仪表的改进探测［Ｊ］．电子质量，２００６（６）：３０－３２．（编辑：白银雷）作者简介：邵玫（１９６６—），女，河南郑州人，广州铁路职业技术学院讲师，实验师，从事电子与通信方面的教学与研究工作。