基于增强型51 单片机的风速测试仪设计

丁电宽，王永刚，师韶谦

（安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳 455000）

随着可再生能源的推广，风能的利用率日益增长。风能常用于动力或者发电系统，同时风力数据测量对于气象监测、航空等行业尤为重要[1-3]。

风速测试仪是一种通过传感器采集风速和风向的仪器，如今，随着电子技术的快速发展，风速测量与研究进入快速发展阶段，国内外风力数据测量原理众多。其中，基于螺旋桨式的风速风向变送器的风速测量，是通过风力推动三叶螺旋桨并联动风速码盘完成光电扫描，再转换为相应的电脉冲信号；其风向测量通过风推动尾翼，从而带动风向码盘，按格雷码盘编码方式进行光电扫描，再转换为相应的电脉冲信号；该传感器精度差，同时自然风阵变化较大，会引起失真和较大误差[4-6]。基于超声波的风速风向传感器由4 个彼此垂直的超声波接收器组成，声波传播速度和声波与风向的传播方向与否相同有关，经运算可获得风速、风向，该方法电路构造较复杂。基于热球式的风速仪主要应用于微风测量[7]。基于三杯式风速传感器的风速测量和基于单翼式风向传感器风向测量具有动态性能好、线性高、测量范围广、抗雷电干扰能力强等特点[8-9]。

综合测量功能、可靠性、使用领域、性价比等要素，文中设计的风杯式风速测试仪利用RS-FS-V05风速变送器、RS-FX-V05风向变送器分别完成风速、风向测量。该测试仪结构简单、抗干扰能力强，能够实现通过采集风能参数合理开发和利用风能的目的。

1 系统设计框图

系统微处理器选用IAP15F2K61S2 单片机，RS-FS-V05 风速变送器、RS-FX-V05 风向变送器分别将当前风速、风向数据转换成相应的电压信号，由PCF8591 采集两者的电压信号并传输至微处理器，DS18B20 采集温度数据并传输至微处理器，微处理器通过算法进行分析、运算，并将转换后的风力数据和温度数据传输至液晶显示屏进行显示，更具可观性。系统设计时预留了与PC 机进行数据传输的接口和与风光互补发电系统对接的接口。基于增强型51 单片机的风速测试仪系统设计框图如图1 所示。

图1 风速测试仪系统设计框图

2 系统设计

2.1 微处理器

IAP15F2K61S 单片机指令代码完全兼容传统8051，速度是普通51 单片机的8～12 倍。系统通过转接板实现与传统51 单片机引脚的兼容。ISP 编程时有8 级复位门槛电压可选，内部时钟在5～28 MHz 范围内可设，不需要外接晶振，内置高可靠复位电路，不需外接复位电路。

2.2 AD采集模块

PCF8591 是单电源、低功耗、逐次逼近式8 位CMOS 数据采集器，分辨率约为19.5 mV，采集电压范围为0～5 V。IIC 总线接口结构占用单片机的IO口少，且编程无需配置其内部的定时器。

PCF8591 有AIN0～AIN3 输入通道及IIC 总线引脚SCL、SDA，分别连接微处理器的P1.5、P1.6 引脚，A0、A1 和A2 引脚接地。AD 采集模块电路如图2所示。

图2 AD采集模块电路

2.3 风速、风向变送器

依据风速、风向采集性能指标，选用RS-FS-V05风速变送器、RS-FS-V05 风向变送器，两者工作电压皆为12 V，风速测量量程为0～30 m/s，风向测量可测8 个基准风向，两者皆输出0～5 V 电压信号。

RS-FS-V05 风速变送器3 个直径为6 cm的半球形风杯呈两两120°夹角固定放置，装在一个可自由转动的轴上。风杯组在水平风力作用下旋转，主轴联动磁棒盘旋转，经内部电路得到与风速成正比的电压信号。RS-FS-V05 风向变送器为单翼式，由风向标、风向罗盘等组成。在水平风力作用下，风标转动并联动格雷码盘，经内部电路得到与风向对应的电压信号，风向-电压对照表如表1 所示[10～13]。

表1 风向-电压对照表

风速变送器正信号引脚接PCF8591 通道AIN0，风向变送器正信号引脚接PCF8591 通道AIN3。文中设计采用三线制接法，其电路如图3 所示。

图3 变送器三线制接法电路图

2.4 温度采集模块

DS18B20 单总线结构温度传感器可采集-55 ℃～125 ℃的温度范围，最高分辨率为0.062 5 ℃，符合温度采集性能指标。DS18B20的VDD 引脚电源供电端接5 V 电源，DQ 引脚数据输入/输出接微处理器的P1.4引脚，GND 引脚电源接地端。其电路如图4所示。

图4 温度采集模块电路

2.5 LCD12864液晶显示模块

LCD12864 液晶可显示汉字、ASCII 字符，完成图形显示。

LCD12864的8 个数据口DB0～DB7 接微处理器P0 端口、指令/数据选择引脚RS、读写选择引脚RW，信号使能引脚E 分别接微处理器P1.0、P1.1、P1.2 引脚。其电路如图5 所示。

图5 LCD12864液晶显示模块电路

3 系统软件设计

系统编程采用模块化编程。依照各功能分解成若干个模块，每一个模块单独编程，从而实现一定的功能，各模块之间可以相互调用，主函数调用各个模块函数，实现系统功能。依据系统功能，系统编程分化为五大模块，系统模块化图如图6 所示。

图6 系统模块化图

3.1 主函数程序设计

单片机上电后进行系统初始化，然后显示开机界面“欢迎使用基于增强型51 单片机的风速测试仪”，最后进入主循环程序。循环程序采用状态机实现，单片机通过定时器0 分别设置4 个标志位：flagwdir、flagtemp、flagdisp、flagwspeed，根据标志位状态进入不同的程序模块，实现风速采集与处理、风向采集与处理、温度采集与处理、数据显示。主函数程序流程如图7 所示[15-16]。

图7 主函数程序流程

3.2 AD采集模块编程设计

PCF8591 A/D 转换读模式总线协议及工作时序如图8 所示。SCL 由高电平转为低电平，SDA 完成一个位字节的发送。CPU 必须向PCF8591SCL 发送开始命令与终止命令方可操控PCF8591的工作与终止，并且CPU 与PCD8591 每互传一个字节就必须接收对方的应答，只有应答有效方可进行下一次的数据传输。PCF8591 总线协议及工作时序如图9所示。

图8 PCF8591总线协议及工作时序

图9 PCF8591初始化和采集数据程序流程

3.3 风速、风向采集模块程序设计

RS-FS-V05 和RS-FX-V05 均输出电压信号，由PCF8591 采集，在处理器中经算法将电压数据转换为十进制数据，根据风速-电压转换比将十进制电压数据转换为相应的风速数据并储存；根据风向-电压对应表，将十进制电压转换为对应的8 个基准风向，将风向数据储存并等待显示；采集数据一方面送到液晶显示模块显示，一方面通过串口通信发送到风光互补系统和数据监控中心。风速、风向采集与数据处理流程如图10 所示。

图10 风速、风向采集与数据处理流程

4 系统测试

RS-FX-V05 风向变送器上的凹槽向着正北方作为启动时的基准方向，使用电风扇(或吹风机）模拟自然风从8 个风向角度依次吹动风向变送器，将系统测试的风向和实际风向比对，结果完全一致。使用数字风速仪GM8901的测试结果和系统测试结果如表2 所示，结果一致。

表2 风速实际测试表

5 结论

基于增强型51 单片机的风速测试仪经测试能能满足风速测量相关性能指标，数据在LCD12864 液晶屏实时显示，具可观性。利用三杯式风速变送器和单翼式风向变送器可以解决自然风阵变化大引起的失真和误差，同时传感器具有动态性能好、线性高、测量范围广、抗雷电干扰能力强等多种优良性能。该系统测得数据能实时传到PC 机进行监控及风光互补发电系统供实时控制。