基于单片机的风速风向检测系统设计

　　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。硬件电路示意图如图2 所示。

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。