基于单片机的数显风速仪设计

陈国良　岳云峰

摘 要： 风是日常生活中经常遇到的现象，随着人类科技知识的不断发展，对风力资源的利用也越来越广泛，怎样测量风的速度和风力等级就成为一个重要的课题。该设计在介绍AT89C2051单片机的性能和特点基础上，结合光电传感器测量脉冲个数，利用liyongLCD显示来实现测量风速的功能。其中硬件电路由电源模块、风叶转动输出脉冲电路、AT89C2051单片机控制电路组成；并编写了软件控制程序；利用Proteus软件对该设计软硬件进行了仿真。

关键词：AT89C2051； 风速； LCD显示； Proteus

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0121?04

Abstract： wind is a phenomenon often encountered in everyday life. With the continuous development of human scientific knowledge， the wind resource has been widely used， and how to measure wind speed and wind scale has become an important issue. The performances and features of MCU AT89C2051 are introduced for the design of MCU?based digital readout anemometer， whose function of wind speed measurement is realized by measuring the number of pulses of photoelectric sensors and using LCD display. Its hardware circuit is composed of power module， pulse circuit of fan blade rotation output and control circuit of 89C2051 MCU. The software control program was compiled. The designed hardware and software were simulated by means of PROTEUS software.

Keywords： MCU； wind velocity； LCD display； PROTEUS

在对气象学越来越重视的今天，天气情况数据的采集显得尤为重要。风速是天气情况数据中的一个重要的参数，对它的测量会影响到气象预报的准确性。同时，风力、风速的测量在某些行业，如煤炭、汽车、飞机、电力等都十分重要。最原始的风速仪，靠人工测量，精度较差，数据更新也不及时。再后来国内使用的风速仪，沿用机械传动，灵敏度低，误差较大，对于有较多的测风点的地方常采用一个计数器测量，而野外自然风风向与风速变化较大，利用此类风速仪会引起失真和较大误差。基于单片机设计的LCD显示风速仪，可以克服机械式风速仪的弊端，是对机械式风速仪的有益补充。

该系统借助传统风速仪测量设备，以单片机AT89C2051为处理信号的工具，使风速的测量精确、及时。并且，由于单片机的使用，使本设计的体积较小，适合外出携带，操作方便，具有较高的经济效益。因此，本文设计了基于单片机的LCD显示风速仪。

1 硬件电路设计

1.1 性能要求

本风速仪检测风速范围0.01～30.00 m/s，采样周期为1 s。同时可测试温度值，可显示正负温度值。

1.2 测量原理

在进行转速测量时，为了得到精确地转速测量方法，一般在转动轴上安装齿盘装置（一般为60齿）。在管壁上安装传感器检测轴转动时带动齿盘转动的变化，得到一系列连续不断的脉冲，通过测试脉冲的频率，换算出当前时刻的转速。在进行长期测量系统设计时，管壁上一般安装变磁阻式或电涡流式传感器。而在进行临时性转速测量系统设计时，多采用光电传感器作为识别转速变化的传感装置。不论长期还是临时转速测量，都可以在微控制器的处理下，通过测量转轴上齿盘转动得到的鉴相信号或光电信号的周期，得出转轴的频率或转速。也就是通过传感装置将转速信号变为电脉冲，再利用微控制器在单位时间内对脉冲进行计数，再通过软件编程和计算获得转速的数据。即：

各模块的功能如下：

（1） 传感器：感知模拟信号，并转化为电信号。

（2） 信号放大、整形电路：对传感器采集的数据进行放大和整形，以利于信号处理。

（3） 微控制器：对信号进行处理和转换，并通过软件编程的方法得到实际转速值。一般采用单片机。

（4） 显示：转速显示器件，可采用LED或者LCD，本系统采用LCD。

1.4 设计中所用主要元器件介绍

1.4.1 AT89C2051

当今生产单片机的厂商很多，产品多样，性能各异。在此最终选用了Atmel公司的AT89C2051单片机。AT89C2051是Atmel公司生产的电压较低、性能较高的CMOS 8位单片机，单片机内部内含2 KB的可重复擦写的PEROM和128B的RAM，器件的存储系统采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准51系列指令系统，同时，片子内部有8位的中央处理器和FLASH存储单元，功能强大。AT89C2051提供以下标准功能：2 KB FLASH闪速存储器， 15个I/O口线，128 B内部RAM，两个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，一个5矢量两级中断结构，片内振荡器和时钟电路，内置一个精准比较器。另外，AT89C2051可降至0 Hz频率进行静态逻辑操作，并支持两种节能模式。空闲模式下CPU不工作，而RAM、串行通信口、定时/计数器和中断系统继续工作。掉电方式下有效保存RAM中的内容，同时振荡器停止工作，并禁止其他所有模块工作直到对硬件进行复位。

1.4.2 光电传感器

光电传感器是把光信号转换为电信号的光电耦合器件，它广泛应用与测量及自动控制等领域，用以检测可见光和不见光。光电传感器的种类繁多，有光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。实际使用时，要根据具体情况选择合适的光电传感器。这里介绍一种由发光二极管和光电三极管组成的光电对管，见图2。

电流的作用能使硅材料发出可见光或红外线。反之，光的照射能改变硅材料的导电性能。利用这一现象可以制成光电器件。把发光二极管和光电三极管组合起来，就构成光电对管，这种器件也称为“红外发射—接收对管”或“光电开关”。如果光路畅通，三极管输出电平Uo为低电平；如果光路被遮断，三极管输出电平Uo为高电平。

当光电对管中间没有挡板时，发光二极管中有电流通过时，会发出红外光，光照射光电三极管b极（基极）时，会使发光三极管的c极和e极之间导通，Uo输出低电平约0.3 V。当光电对管中间有挡板时，二极管发出的光被挡板隔离，此时没有光照射三极管b极（基极）时，光电三极管的c极（集电极）和e极（发射极）之间不导通，Uo处于高电平。

本设计中光电对管与码盘按图3所示构成转速传感器。码盘圆周被等分（例如50或60等分），形成等宽的透光和遮光的相间条码。将码盘与被测旋转机构同轴安装，码盘边缘插在光电对管的中缝处。当被测旋转机构匀速转动时，码盘边缘的条码交替地透光和遮光，光电对管就会输出一连串电脉冲信号，电脉冲信号的频率与码盘的转速成正比。

测量过程如图4所示。当物体作转速运动时，其速度也可用类似的方法测量。

1.5 单元电路设计

（1） 电源模块。电源采用2节1.5 V电源供电，3 V电源经TCM680电源转换和7805稳压，输出±5 V电源，如图5所示。

（2） 风叶转动输出脉冲电路。风叶转动带动轮机转动，轮轴上接有一光挡板，挡板转动时会使光电对管输出连续的脉冲（脉冲宽度依据转速而定），波形经9013放大后输出。如图6所示。

（3） 主电路图（89C2051单片机控制）如图7所示。

2 软件设计思路描述

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AT89C2051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。

风向风速测量仪主要由风向风速传感器、数据采集器组成。风向风速传感器是将风向风速这两个物理量转换为电信号。数据采集器将风向风速输出的电信号进行处理、计算、存储、输出。因转盘的转速正比于风速， 即码盘产生的脉冲频率正比于风速， 于是在三极管9013输出端脚上得到了一连串表征风速的脉冲群，根据脉冲个数与风速关系进行设计软件，并采用LCD显示实现，计算公式为：

[t=1kp]

式中：l表示风碗旋转一周的周长；k表示风碗旋转一周的脉冲数；P显示分辨率。

3 仿真与调试的电路图和说明

图8是假设室外温度为27.4 ℃时，波形为1 kHz时的仿真图。

4 结 论

在进行转速测量时，采用智能处理芯片——单片机，可有效提高测量的精度，并且可以自由设置采样时间，具有很好的时效性。本文介绍的转速测量方法简单、实用，可实现对高、低转速的测量，同时亦可以测量环境温度，精确度高，实用性强，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 徐明，朱庆春.风向风速测量仪设计[J].气象水文海洋仪器，2008（4）：5?10.

[2] 宋洁茹，王军成.一种小型无线风速仪的设计与实现[J].微计算机信息，2008（8）：92?93.

[3] 陈梅，洪飞，李鑫，等.风速风向传感器在风机控制中的应用与研究[J].自动化技术与应用，2008（4）：39?42.

[4] 李安迎，邓靖靖，邓世建，等.基于三杯式风速传感器的风速监测站设计[J].电测与仪表，2010（z2）：121?124.

[5] 秦香丽，祖静，裴东兴，等.基于MSP430单片机的热线式风速测量系统的设计[J].微计算机信息，2008（8）：116?117.

[6] 王晓栋.一种教学实验用风速测量系统的设计[J].中国校外教育，2008（4）：57.

1.4.2 光电传感器

光电传感器是把光信号转换为电信号的光电耦合器件，它广泛应用与测量及自动控制等领域，用以检测可见光和不见光。光电传感器的种类繁多，有光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。实际使用时，要根据具体情况选择合适的光电传感器。这里介绍一种由发光二极管和光电三极管组成的光电对管，见图2。

电流的作用能使硅材料发出可见光或红外线。反之，光的照射能改变硅材料的导电性能。利用这一现象可以制成光电器件。把发光二极管和光电三极管组合起来，就构成光电对管，这种器件也称为“红外发射—接收对管”或“光电开关”。如果光路畅通，三极管输出电平Uo为低电平；如果光路被遮断，三极管输出电平Uo为高电平。

当光电对管中间没有挡板时，发光二极管中有电流通过时，会发出红外光，光照射光电三极管b极（基极）时，会使发光三极管的c极和e极之间导通，Uo输出低电平约0.3 V。当光电对管中间有挡板时，二极管发出的光被挡板隔离，此时没有光照射三极管b极（基极）时，光电三极管的c极（集电极）和e极（发射极）之间不导通，Uo处于高电平。

本设计中光电对管与码盘按图3所示构成转速传感器。码盘圆周被等分（例如50或60等分），形成等宽的透光和遮光的相间条码。将码盘与被测旋转机构同轴安装，码盘边缘插在光电对管的中缝处。当被测旋转机构匀速转动时，码盘边缘的条码交替地透光和遮光，光电对管就会输出一连串电脉冲信号，电脉冲信号的频率与码盘的转速成正比。

测量过程如图4所示。当物体作转速运动时，其速度也可用类似的方法测量。

1.5 单元电路设计

（1） 电源模块。电源采用2节1.5 V电源供电，3 V电源经TCM680电源转换和7805稳压，输出±5 V电源，如图5所示。

（2） 风叶转动输出脉冲电路。风叶转动带动轮机转动，轮轴上接有一光挡板，挡板转动时会使光电对管输出连续的脉冲（脉冲宽度依据转速而定），波形经9013放大后输出。如图6所示。

（3） 主电路图（89C2051单片机控制）如图7所示。

2 软件设计思路描述

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AT89C2051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。

风向风速测量仪主要由风向风速传感器、数据采集器组成。风向风速传感器是将风向风速这两个物理量转换为电信号。数据采集器将风向风速输出的电信号进行处理、计算、存储、输出。因转盘的转速正比于风速， 即码盘产生的脉冲频率正比于风速， 于是在三极管9013输出端脚上得到了一连串表征风速的脉冲群，根据脉冲个数与风速关系进行设计软件，并采用LCD显示实现，计算公式为：

[t=1kp]

式中：l表示风碗旋转一周的周长；k表示风碗旋转一周的脉冲数；P显示分辨率。

3 仿真与调试的电路图和说明

图8是假设室外温度为27.4 ℃时，波形为1 kHz时的仿真图。

4 结 论

在进行转速测量时，采用智能处理芯片——单片机，可有效提高测量的精度，并且可以自由设置采样时间，具有很好的时效性。本文介绍的转速测量方法简单、实用，可实现对高、低转速的测量，同时亦可以测量环境温度，精确度高，实用性强，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 徐明，朱庆春.风向风速测量仪设计[J].气象水文海洋仪器，2008（4）：5?10.

[2] 宋洁茹，王军成.一种小型无线风速仪的设计与实现[J].微计算机信息，2008（8）：92?93.

[3] 陈梅，洪飞，李鑫，等.风速风向传感器在风机控制中的应用与研究[J].自动化技术与应用，2008（4）：39?42.

[4] 李安迎，邓靖靖，邓世建，等.基于三杯式风速传感器的风速监测站设计[J].电测与仪表，2010（z2）：121?124.

[5] 秦香丽，祖静，裴东兴，等.基于MSP430单片机的热线式风速测量系统的设计[J].微计算机信息，2008（8）：116?117.

[6] 王晓栋.一种教学实验用风速测量系统的设计[J].中国校外教育，2008（4）：57.

1.4.2 光电传感器

光电传感器是把光信号转换为电信号的光电耦合器件，它广泛应用与测量及自动控制等领域，用以检测可见光和不见光。光电传感器的种类繁多，有光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。实际使用时，要根据具体情况选择合适的光电传感器。这里介绍一种由发光二极管和光电三极管组成的光电对管，见图2。

电流的作用能使硅材料发出可见光或红外线。反之，光的照射能改变硅材料的导电性能。利用这一现象可以制成光电器件。把发光二极管和光电三极管组合起来，就构成光电对管，这种器件也称为“红外发射—接收对管”或“光电开关”。如果光路畅通，三极管输出电平Uo为低电平；如果光路被遮断，三极管输出电平Uo为高电平。

当光电对管中间没有挡板时，发光二极管中有电流通过时，会发出红外光，光照射光电三极管b极（基极）时，会使发光三极管的c极和e极之间导通，Uo输出低电平约0.3 V。当光电对管中间有挡板时，二极管发出的光被挡板隔离，此时没有光照射三极管b极（基极）时，光电三极管的c极（集电极）和e极（发射极）之间不导通，Uo处于高电平。

本设计中光电对管与码盘按图3所示构成转速传感器。码盘圆周被等分（例如50或60等分），形成等宽的透光和遮光的相间条码。将码盘与被测旋转机构同轴安装，码盘边缘插在光电对管的中缝处。当被测旋转机构匀速转动时，码盘边缘的条码交替地透光和遮光，光电对管就会输出一连串电脉冲信号，电脉冲信号的频率与码盘的转速成正比。

测量过程如图4所示。当物体作转速运动时，其速度也可用类似的方法测量。

1.5 单元电路设计

（1） 电源模块。电源采用2节1.5 V电源供电，3 V电源经TCM680电源转换和7805稳压，输出±5 V电源，如图5所示。

（2） 风叶转动输出脉冲电路。风叶转动带动轮机转动，轮轴上接有一光挡板，挡板转动时会使光电对管输出连续的脉冲（脉冲宽度依据转速而定），波形经9013放大后输出。如图6所示。

（3） 主电路图（89C2051单片机控制）如图7所示。

2 软件设计思路描述

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AT89C2051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。

风向风速测量仪主要由风向风速传感器、数据采集器组成。风向风速传感器是将风向风速这两个物理量转换为电信号。数据采集器将风向风速输出的电信号进行处理、计算、存储、输出。因转盘的转速正比于风速， 即码盘产生的脉冲频率正比于风速， 于是在三极管9013输出端脚上得到了一连串表征风速的脉冲群，根据脉冲个数与风速关系进行设计软件，并采用LCD显示实现，计算公式为：

[t=1kp]

式中：l表示风碗旋转一周的周长；k表示风碗旋转一周的脉冲数；P显示分辨率。

3 仿真与调试的电路图和说明

图8是假设室外温度为27.4 ℃时，波形为1 kHz时的仿真图。

4 结 论

在进行转速测量时，采用智能处理芯片——单片机，可有效提高测量的精度，并且可以自由设置采样时间，具有很好的时效性。本文介绍的转速测量方法简单、实用，可实现对高、低转速的测量，同时亦可以测量环境温度，精确度高，实用性强，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 徐明，朱庆春.风向风速测量仪设计[J].气象水文海洋仪器，2008（4）：5?10.

[2] 宋洁茹，王军成.一种小型无线风速仪的设计与实现[J].微计算机信息，2008（8）：92?93.

[3] 陈梅，洪飞，李鑫，等.风速风向传感器在风机控制中的应用与研究[J].自动化技术与应用，2008（4）：39?42.

[4] 李安迎，邓靖靖，邓世建，等.基于三杯式风速传感器的风速监测站设计[J].电测与仪表，2010（z2）：121?124.

[5] 秦香丽，祖静，裴东兴，等.基于MSP430单片机的热线式风速测量系统的设计[J].微计算机信息，2008（8）：116?117.

[6] 王晓栋.一种教学实验用风速测量系统的设计[J].中国校外教育，2008（4）：57.