陳國良　岳云峰

摘 要： 風是日常生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，隨著人類科技知識的不斷發(fā)展，對風力資源的利用也越來越廣泛，怎樣測量風的速度和風力等級就成為一個重要的課題。該設計在介紹AT89C2051單片機的性能和特點基礎上，結合光電傳感器測量脈沖個數(shù)，利用liyongLCD顯示來實現(xiàn)測量風速的功能。其中硬件電路由電源模塊、風葉轉動輸出脈沖電路、AT89C2051單片機控制電路組成；并編寫了軟件控制程序；利用Proteus軟件對該設計軟硬件進行了仿真。

關鍵詞：AT89C2051； 風速； LCD顯示； Proteus

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在對氣象學越來越重視的今天，天氣情況數(shù)據(jù)的采集顯得尤為重要。風速是天氣情況數(shù)據(jù)中的一個重要的參數(shù)，對它的測量會影響到氣象預報的準確性。同時，風力、風速的測量在某些行業(yè)，如煤炭、汽車、飛機、電力等都十分重要。最原始的風速儀，靠人工測量，精度較差，數(shù)據(jù)更新也不及時。再后來國內使用的風速儀，沿用機械傳動，靈敏度低，誤差較大，對于有較多的測風點的地方常采用一個計數(shù)器測量，而野外自然風風向與風速變化較大，利用此類風速儀會引起失真和較大誤差。基于單片機設計的LCD顯示風速儀，可以克服機械式風速儀的弊端，是對機械式風速儀的有益補充。

該系統(tǒng)借助傳統(tǒng)風速儀測量設備，以單片機AT89C2051為處理信號的工具，使風速的測量精確、及時。并且，由于單片機的使用，使本設計的體積較小，適合外出攜帶，操作方便，具有較高的經(jīng)濟效益。因此，本文設計了基于單片機的LCD顯示風速儀。

1 硬件電路設計

1.1 性能要求

本風速儀檢測風速范圍0.01～30.00 m/s，采樣周期為1 s。同時可測試溫度值，可顯示正負溫度值。

1.2 測量原理

在進行轉速測量時，為了得到精確地轉速測量方法，一般在轉動軸上安裝齒盤裝置（一般為60齒）。在管壁上安裝傳感器檢測軸轉動時帶動齒盤轉動的變化，得到一系列連續(xù)不斷的脈沖，通過測試脈沖的頻率，換算出當前時刻的轉速。在進行長期測量系統(tǒng)設計時，管壁上一般安裝變磁阻式或電渦流式傳感器。而在進行臨時性轉速測量系統(tǒng)設計時，多采用光電傳感器作為識別轉速變化的傳感裝置。不論長期還是臨時轉速測量，都可以在微控制器的處理下，通過測量轉軸上齒盤轉動得到的鑒相信號或光電信號的周期，得出轉軸的頻率或轉速。也就是通過傳感裝置將轉速信號變?yōu)殡娒}沖，再利用微控制器在單位時間內對脈沖進行計數(shù)，再通過軟件編程和計算獲得轉速的數(shù)據(jù)。即：

各模塊的功能如下：

（1） 傳感器：感知模擬信號，并轉化為電信號。

（2） 信號放大、整形電路：對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行放大和整形，以利于信號處理。

（3） 微控制器：對信號進行處理和轉換，并通過軟件編程的方法得到實際轉速值。一般采用單片機。

（4） 顯示：轉速顯示器件，可采用LED或者LCD，本系統(tǒng)采用LCD。

1.4 設計中所用主要元器件介紹

1.4.1 AT89C2051

當今生產單片機的廠商很多，產品多樣，性能各異。在此最終選用了Atmel公司的AT89C2051單片機。AT89C2051是Atmel公司生產的電壓較低、性能較高的CMOS 8位單片機，單片機內部內含2 KB的可重復擦寫的PEROM和128B的RAM，器件的存儲系統(tǒng)采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術，兼容標準51系列指令系統(tǒng)，同時，片子內部有8位的中央處理器和FLASH存儲單元，功能強大。AT89C2051提供以下標準功能：2 KB FLASH閃速存儲器， 15個I/O口線，128 B內部RAM，兩個16位定時/計數(shù)器，一個全雙工串行通信口，一個5矢量兩級中斷結構，片內振蕩器和時鐘電路，內置一個精準比較器。另外，AT89C2051可降至0 Hz頻率進行靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種節(jié)能模式。空閑模式下CPU不工作，而RAM、串行通信口、定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式下有效保存RAM中的內容，同時振蕩器停止工作，并禁止其他所有模塊工作直到對硬件進行復位。

1.4.2 光電傳感器

光電傳感器是把光信號轉換為電信號的光電耦合器件，它廣泛應用與測量及自動控制等領域，用以檢測可見光和不見光。光電傳感器的種類繁多，有光電二極管、光電三極管、集成光電傳感器等。實際使用時，要根據(jù)具體情況選擇合適的光電傳感器。這里介紹一種由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電對管，見圖2。

電流的作用能使硅材料發(fā)出可見光或紅外線。反之，光的照射能改變硅材料的導電性能。利用這一現(xiàn)象可以制成光電器件。把發(fā)光二極管和光電三極管組合起來，就構成光電對管，這種器件也稱為“紅外發(fā)射—接收對管”或“光電開關”。如果光路暢通，三極管輸出電平Uo為低電平；如果光路被遮斷，三極管輸出電平Uo為高電平。

當光電對管中間沒有擋板時，發(fā)光二極管中有電流通過時，會發(fā)出紅外光，光照射光電三極管b極（基極）時，會使發(fā)光三極管的c極和e極之間導通，Uo輸出低電平約0.3 V。當光電對管中間有擋板時，二極管發(fā)出的光被擋板隔離，此時沒有光照射三極管b極（基極）時，光電三極管的c極（集電極）和e極（發(fā)射極）之間不導通，Uo處于高電平。

本設計中光電對管與碼盤按圖3所示構成轉速傳感器。碼盤圓周被等分（例如50或60等分），形成等寬的透光和遮光的相間條碼。將碼盤與被測旋轉機構同軸安裝，碼盤邊緣插在光電對管的中縫處。當被測旋轉機構勻速轉動時，碼盤邊緣的條碼交替地透光和遮光，光電對管就會輸出一連串電脈沖信號，電脈沖信號的頻率與碼盤的轉速成正比。

測量過程如圖4所示。當物體作轉速運動時，其速度也可用類似的方法測量。

1.5 單元電路設計

（1） 電源模塊。電源采用2節(jié)1.5 V電源供電，3 V電源經(jīng)TCM680電源轉換和7805穩(wěn)壓，輸出±5 V電源，如圖5所示。

（2） 風葉轉動輸出脈沖電路。風葉轉動帶動輪機轉動，輪軸上接有一光擋板，擋板轉動時會使光電對管輸出連續(xù)的脈沖（脈沖寬度依據(jù)轉速而定），波形經(jīng)9013放大后輸出。如圖6所示。

（3） 主電路圖（89C2051單片機控制）如圖7所示。

2 軟件設計思路描述

針對當前風速采集檢測設備普遍體積大、質量大、數(shù)據(jù)需要有線傳輸而非常不便攜的現(xiàn)象，選用AT89C2051單片機設計了集數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸于一體的便攜式風速采集系統(tǒng)，同時采用模塊化的設計理念，使該系統(tǒng)具有了電源獨立供電、手持獨立操作、數(shù)據(jù)傳輸方便的特點，對工業(yè)應用中風速采集檢測系統(tǒng)的設計有一定的借鑒意義。

風向風速測量儀主要由風向風速傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成。風向風速傳感器是將風向風速這兩個物理量轉換為電信號。數(shù)據(jù)采集器將風向風速輸出的電信號進行處理、計算、存儲、輸出。因轉盤的轉速正比于風速， 即碼盤產生的脈沖頻率正比于風速， 于是在三極管9013輸出端腳上得到了一連串表征風速的脈沖群，根據(jù)脈沖個數(shù)與風速關系進行設計軟件，并采用LCD顯示實現(xiàn)，計算公式為：

[t=1kp]

式中：l表示風碗旋轉一周的周長；k表示風碗旋轉一周的脈沖數(shù)；P顯示分辨率。

3 仿真與調試的電路圖和說明

圖8是假設室外溫度為27.4 ℃時，波形為1 kHz時的仿真圖。

4 結 論

在進行轉速測量時，采用智能處理芯片——單片機，可有效提高測量的精度，并且可以自由設置采樣時間，具有很好的時效性。本文介紹的轉速測量方法簡單、實用，可實現(xiàn)對高、低轉速的測量，同時亦可以測量環(huán)境溫度，精確度高，實用性強，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 徐明，朱慶春.風向風速測量儀設計[J].氣象水文海洋儀器，2008（4）：5?10.

[2] 宋潔茹，王軍成.一種小型無線風速儀的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008（8）：92?93.

[3] 陳梅，洪飛，李鑫，等.風速風向傳感器在風機控制中的應用與研究[J].自動化技術與應用，2008（4）：39?42.

[4] 李安迎，鄧靖靖，鄧世建，等.基于三杯式風速傳感器的風速監(jiān)測站設計[J].電測與儀表，2010（z2）：121?124.

[5] 秦香麗，祖靜，裴東興，等.基于MSP430單片機的熱線式風速測量系統(tǒng)的設計[J].微計算機信息，2008（8）：116?117.

[6] 王曉棟.一種教學實驗用風速測量系統(tǒng)的設計[J].中國校外教育，2008（4）：57.

1.4.2 光電傳感器

光電傳感器是把光信號轉換為電信號的光電耦合器件，它廣泛應用與測量及自動控制等領域，用以檢測可見光和不見光。光電傳感器的種類繁多，有光電二極管、光電三極管、集成光電傳感器等。實際使用時，要根據(jù)具體情況選擇合適的光電傳感器。這里介紹一種由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電對管，見圖2。

電流的作用能使硅材料發(fā)出可見光或紅外線。反之，光的照射能改變硅材料的導電性能。利用這一現(xiàn)象可以制成光電器件。把發(fā)光二極管和光電三極管組合起來，就構成光電對管，這種器件也稱為“紅外發(fā)射—接收對管”或“光電開關”。如果光路暢通，三極管輸出電平Uo為低電平；如果光路被遮斷，三極管輸出電平Uo為高電平。

當光電對管中間沒有擋板時，發(fā)光二極管中有電流通過時，會發(fā)出紅外光，光照射光電三極管b極（基極）時，會使發(fā)光三極管的c極和e極之間導通，Uo輸出低電平約0.3 V。當光電對管中間有擋板時，二極管發(fā)出的光被擋板隔離，此時沒有光照射三極管b極（基極）時，光電三極管的c極（集電極）和e極（發(fā)射極）之間不導通，Uo處于高電平。

本設計中光電對管與碼盤按圖3所示構成轉速傳感器。碼盤圓周被等分（例如50或60等分），形成等寬的透光和遮光的相間條碼。將碼盤與被測旋轉機構同軸安裝，碼盤邊緣插在光電對管的中縫處。當被測旋轉機構勻速轉動時，碼盤邊緣的條碼交替地透光和遮光，光電對管就會輸出一連串電脈沖信號，電脈沖信號的頻率與碼盤的轉速成正比。

測量過程如圖4所示。當物體作轉速運動時，其速度也可用類似的方法測量。

1.5 單元電路設計

（1） 電源模塊。電源采用2節(jié)1.5 V電源供電，3 V電源經(jīng)TCM680電源轉換和7805穩(wěn)壓，輸出±5 V電源，如圖5所示。

（2） 風葉轉動輸出脈沖電路。風葉轉動帶動輪機轉動，輪軸上接有一光擋板，擋板轉動時會使光電對管輸出連續(xù)的脈沖（脈沖寬度依據(jù)轉速而定），波形經(jīng)9013放大后輸出。如圖6所示。

（3） 主電路圖（89C2051單片機控制）如圖7所示。

2 軟件設計思路描述

針對當前風速采集檢測設備普遍體積大、質量大、數(shù)據(jù)需要有線傳輸而非常不便攜的現(xiàn)象，選用AT89C2051單片機設計了集數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸于一體的便攜式風速采集系統(tǒng)，同時采用模塊化的設計理念，使該系統(tǒng)具有了電源獨立供電、手持獨立操作、數(shù)據(jù)傳輸方便的特點，對工業(yè)應用中風速采集檢測系統(tǒng)的設計有一定的借鑒意義。

風向風速測量儀主要由風向風速傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成。風向風速傳感器是將風向風速這兩個物理量轉換為電信號。數(shù)據(jù)采集器將風向風速輸出的電信號進行處理、計算、存儲、輸出。因轉盤的轉速正比于風速， 即碼盤產生的脈沖頻率正比于風速， 于是在三極管9013輸出端腳上得到了一連串表征風速的脈沖群，根據(jù)脈沖個數(shù)與風速關系進行設計軟件，并采用LCD顯示實現(xiàn)，計算公式為：

[t=1kp]

式中：l表示風碗旋轉一周的周長；k表示風碗旋轉一周的脈沖數(shù)；P顯示分辨率。

3 仿真與調試的電路圖和說明

圖8是假設室外溫度為27.4 ℃時，波形為1 kHz時的仿真圖。

4 結 論

在進行轉速測量時，采用智能處理芯片——單片機，可有效提高測量的精度，并且可以自由設置采樣時間，具有很好的時效性。本文介紹的轉速測量方法簡單、實用，可實現(xiàn)對高、低轉速的測量，同時亦可以測量環(huán)境溫度，精確度高，實用性強，具有很好的應用前景。

參考文獻

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[6] 王曉棟.一種教學實驗用風速測量系統(tǒng)的設計[J].中國校外教育，2008（4）：57.

1.4.2 光電傳感器

光電傳感器是把光信號轉換為電信號的光電耦合器件，它廣泛應用與測量及自動控制等領域，用以檢測可見光和不見光。光電傳感器的種類繁多，有光電二極管、光電三極管、集成光電傳感器等。實際使用時，要根據(jù)具體情況選擇合適的光電傳感器。這里介紹一種由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電對管，見圖2。

電流的作用能使硅材料發(fā)出可見光或紅外線。反之，光的照射能改變硅材料的導電性能。利用這一現(xiàn)象可以制成光電器件。把發(fā)光二極管和光電三極管組合起來，就構成光電對管，這種器件也稱為“紅外發(fā)射—接收對管”或“光電開關”。如果光路暢通，三極管輸出電平Uo為低電平；如果光路被遮斷，三極管輸出電平Uo為高電平。

當光電對管中間沒有擋板時，發(fā)光二極管中有電流通過時，會發(fā)出紅外光，光照射光電三極管b極（基極）時，會使發(fā)光三極管的c極和e極之間導通，Uo輸出低電平約0.3 V。當光電對管中間有擋板時，二極管發(fā)出的光被擋板隔離，此時沒有光照射三極管b極（基極）時，光電三極管的c極（集電極）和e極（發(fā)射極）之間不導通，Uo處于高電平。

本設計中光電對管與碼盤按圖3所示構成轉速傳感器。碼盤圓周被等分（例如50或60等分），形成等寬的透光和遮光的相間條碼。將碼盤與被測旋轉機構同軸安裝，碼盤邊緣插在光電對管的中縫處。當被測旋轉機構勻速轉動時，碼盤邊緣的條碼交替地透光和遮光，光電對管就會輸出一連串電脈沖信號，電脈沖信號的頻率與碼盤的轉速成正比。

測量過程如圖4所示。當物體作轉速運動時，其速度也可用類似的方法測量。

1.5 單元電路設計

（1） 電源模塊。電源采用2節(jié)1.5 V電源供電，3 V電源經(jīng)TCM680電源轉換和7805穩(wěn)壓，輸出±5 V電源，如圖5所示。

（2） 風葉轉動輸出脈沖電路。風葉轉動帶動輪機轉動，輪軸上接有一光擋板，擋板轉動時會使光電對管輸出連續(xù)的脈沖（脈沖寬度依據(jù)轉速而定），波形經(jīng)9013放大后輸出。如圖6所示。

（3） 主電路圖（89C2051單片機控制）如圖7所示。

2 軟件設計思路描述

針對當前風速采集檢測設備普遍體積大、質量大、數(shù)據(jù)需要有線傳輸而非常不便攜的現(xiàn)象，選用AT89C2051單片機設計了集數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸于一體的便攜式風速采集系統(tǒng)，同時采用模塊化的設計理念，使該系統(tǒng)具有了電源獨立供電、手持獨立操作、數(shù)據(jù)傳輸方便的特點，對工業(yè)應用中風速采集檢測系統(tǒng)的設計有一定的借鑒意義。

風向風速測量儀主要由風向風速傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成。風向風速傳感器是將風向風速這兩個物理量轉換為電信號。數(shù)據(jù)采集器將風向風速輸出的電信號進行處理、計算、存儲、輸出。因轉盤的轉速正比于風速， 即碼盤產生的脈沖頻率正比于風速， 于是在三極管9013輸出端腳上得到了一連串表征風速的脈沖群，根據(jù)脈沖個數(shù)與風速關系進行設計軟件，并采用LCD顯示實現(xiàn)，計算公式為：

[t=1kp]

式中：l表示風碗旋轉一周的周長；k表示風碗旋轉一周的脈沖數(shù)；P顯示分辨率。

3 仿真與調試的電路圖和說明

圖8是假設室外溫度為27.4 ℃時，波形為1 kHz時的仿真圖。

4 結 論

在進行轉速測量時，采用智能處理芯片——單片機，可有效提高測量的精度，并且可以自由設置采樣時間，具有很好的時效性。本文介紹的轉速測量方法簡單、實用，可實現(xiàn)對高、低轉速的測量，同時亦可以測量環(huán)境溫度，精確度高，實用性強，具有很好的應用前景。

參考文獻

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[6] 王曉棟.一種教學實驗用風速測量系統(tǒng)的設計[J].中國校外教育，2008（4）：57.