張浩然，肖東岳

（南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南南陽(yáng)，473004）

0 引言

近年來(lái)，由于科技的發(fā)展和提高，各國(guó)能源的消耗也是日益增多，不可開(kāi)再生的能源被逐步消耗。人們?yōu)榱碎L(zhǎng)久的發(fā)展和可持續(xù)性發(fā)展，便把目光投向了可再生能源，其中風(fēng)能是主要代表之一。判斷一個(gè)地區(qū)是否有開(kāi)發(fā)風(fēng)能的潛力的一個(gè)重要的參數(shù)就是風(fēng)能密度。風(fēng)能密度測(cè)試儀應(yīng)該盡量選用有較高測(cè)量精度、測(cè)量范圍較廣、能夠在各種惡劣環(huán)境中正常運(yùn)行的相關(guān)設(shè)備，并且也要選用市面上經(jīng)常用到的穩(wěn)定性較好的材料來(lái)組成電源、通信以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

衡量一個(gè)地方風(fēng)能大小、評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)風(fēng)能潛力，風(fēng)能密度是最方便和最有價(jià)值的考察參數(shù)。風(fēng)能密度是空氣在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位截面積所產(chǎn)生的能量[1]。風(fēng)能密度的單位為瓦每平方米，其公式為：

其中w為瞬時(shí)風(fēng)能密度，ρ為空氣密度，v為瞬時(shí)風(fēng)速，p為大氣壓強(qiáng)，V為氣體體積，n為氣體分子物質(zhì)的量，R為普適氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，m為氣體質(zhì)量單位為千克，M為氣體的相對(duì)分子質(zhì)量。

由公式(1)(2)(3)可得：

由此可見(jiàn)M和R為已知常量，所以測(cè)量出壓強(qiáng)p和熱力學(xué)溫度T即可，經(jīng)過(guò)整合后有

其中k為常量。

綜上，要想獲得風(fēng)能密度需要測(cè)量三個(gè)物理量，即氣壓氣溫和風(fēng)速。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案整體框圖

2 系統(tǒng)各單元硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的選型決定了整體系統(tǒng)的性能以及工作速度，考慮到工作效率、存儲(chǔ)空間和掉電保存功能，本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)型號(hào)為STC89C52。STC89C52單片機(jī)是宏晶科技公司推出的一個(gè)功耗較低、性能優(yōu)越的單片機(jī)，它使用了經(jīng)典的MCS—51內(nèi)核，可以當(dāng)作一般的51單片機(jī)使用[2]。

2.2 氣壓溫度測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

由于測(cè)量實(shí)時(shí)氣壓的同時(shí)還要測(cè)量實(shí)時(shí)溫度，故采用BMP180帶有溫度數(shù)據(jù)采集的氣壓傳感器模塊。BMP180可以通過(guò)I2C總線直接與各種單片機(jī)相連接。BMP180芯片中包含有電阻式壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制單元，其中控制單元包括儲(chǔ)存有176位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的EEPROM 和 IIC 接口。在本設(shè)計(jì)中所測(cè)得的氣壓和氣溫的數(shù)值就需要用BMP180芯片內(nèi)部的 EEPROM 中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償[3]。該模塊1、2兩個(gè)引腳分別接電源正極、電源負(fù)極，由于3、4兩個(gè)引腳為串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線，所以分別接到單片機(jī)的P2.0和P2.1口。在本設(shè)計(jì)中上拉電阻選用10kΩ電阻。

2.3 風(fēng)速測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

風(fēng)速模塊用來(lái)測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)速，本設(shè)計(jì)選用YGC—FS風(fēng)速傳感器，其工作電壓為5V。由于風(fēng)速傳感器2號(hào)引腳為脈沖引腳，用來(lái)傳輸信號(hào)，風(fēng)速傳感器的脈沖引腳連接單片機(jī)的外部中斷引腳，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，便可以得到風(fēng)速。風(fēng)速傳感器的2號(hào)引腳直接與STC89C52單片機(jī)的P3.2引腳連接，通過(guò)外部中斷的方式記輸出脈沖，再轉(zhuǎn)換成具體風(fēng)速數(shù)值。

2.4 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)

為了使監(jiān)測(cè)人員能夠直觀的查看到風(fēng)能密度的數(shù)值，所以選擇了功能較多、顯示效果較好的LCD1602來(lái)完成本設(shè)計(jì)的顯示，LCD1602工作在5V的電壓之下。LCD1602的8位數(shù)據(jù)口D0—D7與P0.0—P0.7相連。VL引腳是用來(lái)調(diào)節(jié)背光的對(duì)比度，要和電位器相連接，通過(guò)扭動(dòng)電位器來(lái)調(diào)節(jié)背光亮度[4]。在本設(shè)計(jì)中選用了10kΩ可調(diào)電阻；RS、E這兩個(gè)控制信號(hào)引腳分別和P2.6、P2.7、相連；由于只用到向LCD1602寫(xiě)入數(shù)據(jù)，所以R/W引腳直接接地。

3 系統(tǒng)各單元軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

在主程序中主要任務(wù)是進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化操作，首先裝入初始值，再開(kāi)定時(shí)器及外部中斷，進(jìn)入大循環(huán)等待一秒定時(shí)的到來(lái)，以此用來(lái)記錄風(fēng)速傳感器的脈沖數(shù)。讀取傳感器測(cè)出的溫度和壓強(qiáng)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，對(duì)風(fēng)速傳感器的脈沖計(jì)數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算,計(jì)算風(fēng)能密度。在測(cè)試儀工作時(shí)，計(jì)數(shù)總時(shí)間以及達(dá)到設(shè)置的風(fēng)能密度的時(shí)間，刷新液晶顯示。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 BMP180模塊程序流程圖

3.2 氣壓溫度測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始測(cè)量氣壓和氣溫，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換時(shí)間4.5ms后，其所得結(jié)果便可由I2C接口讀取。此時(shí)的溫度和壓強(qiáng)的單位不是標(biāo)準(zhǔn)單位，這時(shí)就要調(diào)用EEPRPM中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，便可把溫度的單位轉(zhuǎn)換為攝氏度，壓強(qiáng)的單位轉(zhuǎn)換為帕。BMP180模塊程序流程圖如圖3所示。

3.3 風(fēng)速測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)

首先初始化定時(shí)器，裝入初值并開(kāi)啟定時(shí)器中斷，然后開(kāi)啟外部中斷，在外部中斷中記錄脈沖數(shù)，定時(shí)器中斷達(dá)到20次即一秒時(shí)讀取脈沖數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再清空脈沖數(shù)。當(dāng)脈沖信號(hào)頻率為零時(shí)，風(fēng)速示值也為零，當(dāng)脈沖信號(hào)頻率不為零時(shí)，風(fēng)速示值為0.1+0.0875×脈沖信號(hào)頻率[5]。風(fēng)速模塊的程序流程圖如圖4所示。

3.4 液晶顯示模塊程序設(shè)計(jì)

LCD1602顯示的字符儲(chǔ)存在內(nèi)部的DDRAM存儲(chǔ)器中，DDRAM字節(jié)地址空間為0x80到0xFF，一共有128個(gè)字節(jié)，其中第一行顯示的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在前64個(gè)字節(jié)中，第二行顯示的內(nèi)容儲(chǔ)存在后64個(gè)字節(jié)中，寫(xiě)入其中的字符用ASCII碼來(lái)表示。LCD1602液晶的讀操作流程為首先判斷RS電平來(lái)確定是讀數(shù)據(jù)還是讀指令，RS為低電平時(shí)為讀指令，RS為高電平時(shí)為讀數(shù)據(jù)。讀命令是指讀忙標(biāo)志或地址，數(shù)據(jù)的讀取是從1602的RAM中讀出。液晶顯示模塊的程序流程圖如圖5所示。

圖4 風(fēng)速模塊的程序流程圖

圖5 液晶顯示模塊的程序流程圖

4 結(jié)論

在經(jīng)過(guò)硬件電路調(diào)試，確認(rèn)各個(gè)部分模塊工作沒(méi)有問(wèn)題后，將程序通過(guò)燒錄軟件下載到單片機(jī)上，通電進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，顯示值與手動(dòng)計(jì)算與大致相等。

基于單片機(jī)的風(fēng)能密度測(cè)試儀可使測(cè)試者更方便、更直觀的獲得所在區(qū)域的風(fēng)能密度情況，以及顯示出超過(guò)某一設(shè)定的風(fēng)能密度所累計(jì)時(shí)間，這是考察一個(gè)地區(qū)風(fēng)能潛力的重要依據(jù)之一。