风速风向检测

1、基于单片机的风速风阿检测系统设计时间：2011-03-01 16:46:08 来源：电源技术应用 作者：摘要:介绍了一种风速风向传感器原理，选用LPC921单片机设计了数据采集和数 据传输的检测系统，给出了系统硬件电路图和软件流程图 ，分析了硬件设计和软件编程中的一 些问题。1引言风速风向测量是气象监测的重要组成部分，测量风速风向对人类更好地研究及利用风能和改善生活生产有积极的影响。本系统针对传感器的特点选用了LPC921单片机，通过I/O 口输出高低电平，通过放大电路驱动继电器，控制传感器电源的开关。利用单片机的两个通用定时计数器，对风速脉冲进行定时和计数，通过计算单位时间内的脉冲数计算出风

2、速。风向则是检测输入的风向格雷码，将格雷码转换成二进制码，通过查表的方式求出风向角度，最终确定风向。最后设计RS485通信协议，保证通信可靠性，将风速风向数据送往上位机进行显示和发布。2传感器工作原理本系统采用长春气象仪器研究所的EC9 -1系列高收稿日期：2010-03-05动态性能测风传感器。EC9 - 1系列传感器具有动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、 互换性好、抗风强度大等特点。风速传感器的感应组件为三杯式风杯组件，当风速大于0.4m/s时就产生旋转，信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力驱动下风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场，通过

3、霍尔磁敏元件感应出脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。计算公式:V=0.1F。V:风速，单位:m/s; F:脉冲频率，单位:Hz风向传感器的感应组件为前端装有辅助标 板的单板式风向标。角度变换采用的是七位格雷码光电码盘。当风向标随风旋转时，通过主轴带动码盘旋转，每转动2.8125。，位于码盘上下两 侧的七组发光与接收光电器件就会产生一组新的七位并行格雷码，经过整形、倒相后输出。方位-角度-格雷码-二进制码对照表是风向测量单片机编程的重要依据。传感器结构组成 如图1所示。图1传感器结构组成图3硬件电路设计该风速风向测量系统主要由电源模块、主控制模块、输入输出模块和通信模块 4部分构成。硬件电

4、路示意图如图2所示。输入输出模块 V通信模块图2硬件电路示意图3.1电源模块电源包括LPC921芯片工作的3.3V电源和测风传感器工作的5 V电源。电源稳压芯片采用 AS1117 。AS1117是一个低压差电压调节器系列，其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V,有多个固定电压输出型号 ，包括3.3V和5V。通过电源指示、防雷、稳压和滤波 处理,能够为各个芯片和传感器提供稳定的工作电源。3.2主控制模块和输入输出模块P89LPC921是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场 合。可以满足多方面的性能要求。P89LPC921采用了高性能的处理器结构，指令执行时间

5、只 需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC921集成了许多系统级的功能 这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。20脚TSSOP封装的LPC921芯片，除去电源、地、晶振、复位管脚，还有15个可用I/O 口。P0 口的P0.0到P0.6作为风向七位格雷码的输入引脚，P1.2脚同时是定时计数器0的引脚，我们将其作为风速脉冲的输入引脚。P1.0和P1.1用作RS485通信,P1.3作为RS485通信收发控制引脚。P1.7用作继电器控制引脚，控制传感器电源的导通和关闭。 同时,P0.4和P0.5也是用芯片程序下载接口 ，在此，用3脚跳线将P0.4和P0.5引出，使其

6、 作为复用引脚。LPC921采用ICP下载器下载程序，下载程序时要将电源和地与周围电路 隔离，因此电源和地的引脚应使用2条跳线引出。LPC921管脚可承受5V工作电压，因此5V脉冲信号和格雷码在经过防雷，滤波后可以直接接到单片机引脚上。输出部分主要是单片机输出引脚通过驱动电路控制继电器，在此，继电器选用台湾欣大继电器9 4 6 H -1C-5D，工作电压5V，驱动电流70mA。驱动电路三极管采用9013H，直流增益150，限流电阻R5选8.2K或5.6 K。为了防止继电器的反向 感生电动势烧坏三极管甚至前边的电路比如单片机，应在继电器两端反向并联二极管，该二极管的正极应该在三极管集电极那端，负

7、极接正5 V端。继电器的使用可以降低系统功耗，延长传感器的使用寿命。 主控制模块电路图如图3所示。VCC 5VWIND5V图3主控制模块电路图3.3通信模块本系统提供了两种通信方式 ，一种是RS485通信，采用M A X 4 8 5 E 收发器，接 口电路如图3中所示。另一种是采用短距离无线方式传输，因为很多情况下，风速风向观测点距离数据处理中心并不远，采用无线传输可以节省铺线成本并提高应用的灵活性。短距离无线传输采用的是华奥通 HAC-U M 数传模块，传输距离可达1 0 0 0米，数据输入接M A X 4 8 5的A、B端输出，并由LPC921提供休眠控制，电源则共用系统电源模块的3.3

8、V或5 V电源。4软件设计4.1风速测量程序设计由测风传感器资料可知，V= 0.1 F，其中F为传感器输入到单片机的脉冲频率。将T 1做为定时器,将T 0作为计数器。T 1与T 0同时工作 ,如果T 1定时1秒，则T 0 计数值即为此刻风速的1 0倍。由此可知最终的风速测量精度为0.1 m /s。 LPC921的两个定时计数器共有 5种工作模式，本系统选择模式1,即T0,T1均为16位定时器/计数 器,THn和TLn级联,无预分频器。系统选用7.373MHz外部晶振，在不预分频情况下，定时计数器工作频率为:7.373/2MHz 。 16位的定时器在初值为0的情况下，溢出一次共计时次数为6 5

9、5 35(0xFFFFH),共计时时间为17.777ms,所以在定时器中断 56次之后共计延时约 1秒。风速测量子程序流程图如图4所示。图4风速测量子程序流程图4.2风向测量程序设计风向测量先测得7位格雷码的输入,通过7位输入值计算出格雷码,再通过格雷 码换算成二进制码，最后通过查表法得出风向角度。格雷码(Gray code),又叫循环二进制码或反射二进制码。格雷码属于可靠性编码 , 是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数 /模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产 生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是

10、一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有-个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。表1方位-角度-格雷码-二进制码对照表方位角度格雷码00:00000000000000130000001000000126000001100000103800000100000011 >1 4 «125 I35210000111111101126135410000011111110127135710000001111111 -at 1 a. j"+ =n位格雷码转换到n位二进制码的逻辑关系式(B

11、代表二进制码，R代表格雷码):Bn-1 二 Rn-1Bn-2 二 Bn-1 ® Rn-2在C语言里面实现风向格雷码到二进制码转换程序如下Unsigned int Wind_Drct=O;/风向终值Unsigned int Wind GrayO;/风向初值(格雷码)if (KBA1 = 1)通过7位输入引脚值计算格雷码Wind Gray+二0x0001;if (KBA2=1)Wind_Gmy+=0x0002;if(KBA7=1)Wind_Gray+-0x0040;Wind_Gray=Wind_Gray&Ox7F; /只取 7 位输入Wind_Drct=Wind_Gray ;/ 将格雷码转换成一进制码while (Wind_Gray> =1)/进行移位异或运算Wind Drct ”二 Wind Gray;Wind_Drct-Wind_Tbl Wind_Drct ;/ 查表求出风向值Wind_Tbl数组里面依次存储的是二进制码对应的角度值，该值来源于方位-角度-格雷码-二进制码对照表，该表由传感器资料提供。如表 1所示。5结束语LPC921本身自带一个全双工的