基于单片机控制的光电式风速风向测量系统的设计毕业论文Word下载.docx
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单片机光电编码器LED测量
一绪论
1.1设计要求
1.1.1设计功能
风速风向仪的功能主要是能对当前的风速风向进行测量并在显示器件上显示，而且测量系统要求具有一定的精度，在断电及其他影响情况下仍能准确的工作，尤其是风向测量部分，要求具有断电保护或者记忆功能，能够时刻反应风向情况。
1.1.2设计参数
1．对于风速在0－9999rpm的范围内，在单片机的控制下，采用合适的测量方法对电机转速进行测量，同时要求风速的测量达到一定的精度，误差不超过5%并且对风速进行显示。
2．对于风向在0-360°
1.2设计方案
1.2.1设计依据
系统设计要求在单片机的控制下完成风速风向的采样工作，并根据不同的风速，采用M法和T法进行计算，并显示测量的风速，根据风向的情况自动测量并显示。
1.2.2电路方案
本次设计的电路主要有风速风向采集电路，AT89S52单片机系统，显示电路，复位电路，软件设计包括基本采集模块，系统模块，显示模块等设计，大致设计的思路如下图所示:
图1-1设计思路图
1.3软件设计
AT89S52单片机，其指令系统与MCS-51完全兼容，首先是要对AT89S52进行初始化。
初始化内容包括定时器、中断系统及各个单元内容的初始化。
然后进入到主程序中，开始对脉冲信号进行采样、处理这里是程序设计的关键。
主程序流程图如图1-2:
图1-2主程序流程图
二测向系统的简介
2.1早期的测量系统
早期的测量系统无论是结构上还是测量方法上都比较简单，大多数情况下就是使用一些简单的仪表，完全由人来进行转速测量，整个系统的成本较低，但可靠性不高，实现的功能单一。
2.2现代的测量系统
随着电子技术、计算机技术、现代控制技术等技术的迅猛发展，测速系统得到了不断的发展与完善，功能更强大。
现在，在一个测速系统中，主要采用一些光学技术、光电技术等现代技术进行转速测量。
利用这些技术而产生的测速方法也多种多样，有光电编码器法，衍射法，自准直法，光纤法，声光调制法，圆光栅法，光学内反射法，激光干涉法，平行干涉图法，以及环形激光法等。
这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功的应用，并得到了较高的测量精度和测量灵敏度。
但是，目前采用单片机及其外围电路，依靠光电传感器技术，以数字脉冲式测速为发展的主流。
这种方法可以实现对整个转速范围的高精确度测量，信号检出、处理均采用数字技术，也便于和计算机接口，抗干扰能力强，无需调零就可工作，可靠性高、信噪比高、工作寿命长，可连续测量。
表2-1是常用转速方向测量方法的比较。
类型
测量方法
测量范围
特点
磁电式
转轴带动磁性体旋转产生计数电脉冲，其脉冲数与转速成比例
中、高速、最高48000转/分
机构复杂，精度高
光电式
利用转动圆盘的光线使光电元件产生电脉冲
中、高速、最高48000转/分，角度任意，多圈测量
没有扭矩损失机构简单
同步闪光式
用已知频率的闪光来测出与旋转体同步的频率
中、高速
没有扭矩损失
旋转编码盘
码盘中反映转轴位置的码值转换成电脉冲输出
低、中、高速，
数字输出，精度高
电阻式
通过电阻的变化把电压变化输出电信号，
低速
电压输出，机构简单，精度一般
三硬件的电路分析
3.1硬件的组成
本设计所使用的硬件主要有单片机，光电编码器，触发器，光电耦合器，LED显示及其驱动器件。
3.1.1单片机系统
ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机。
这个系列单片机的最大特点就是在片内含有FLASH存储器，并且是以8031为核心构成的。
所以，它和8051系列单片机是兼容的。
本次设计采用了以AT89S52为核心的单片机系统。
它将完成脉冲的读取与传送。
AT89S52主要性能：
●8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）。
●全静态工作：
0Hz～33MHz。
●3级加密程序存储器。
●256字节内部RAM。
●32条可编程I/O线。
●3个16位定时器/计数器。
●8个中断源。
●全双工UART串行通道。
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●掉电标识符
AT89S52的功能特性描述：
AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，片内带有一个8KB的可编程Flash存储器，使用了ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
单片机AT89S52的封装方式有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。
对于双列直插封装方式，AT89S52引脚排列如图3-1所示：
图3-1系统时钟和复位电路
3.1.2硬件系统的主电路设计
风速风向仪的主电路设计主要有
（1）系统时钟电路设计；
（2）系统复位电路设计；
（3）电源电路设计
◆系统时钟电路设计
系统时钟电路的设计如图3-1所示。
对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振，并稳定运行，但由于图中的C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用，因此，在实际应用中一定要注意正确选择参数，一般在5～30pF。
◆系统复位电路设计
智能系统一般有开关复位和上电复位电路。
复位电路的实现通常有两种方式：
即专用监控电路和RC复位电路。
前者电路实现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；
后者成本较高，复位可靠性高，尤其是高可靠重复复位。
对于复位要求高的场合，大多采用这种方式。
本系统采用的是RC复位电路。
RC复位电路的实质是一阶充放电电路，现结合图3-1所示，说明这种复位电路的特点。
系统按键按下时该电路提供有效的复位信号RST（高电平），同时电容被短路放电；
按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。
◆电源电路的设计
在整个单片机系统中，电源的设计是需要首先考虑，这决定了系统式采用是单电源方案还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。
不同的电源方案决定了整个系统的方案和器件选择。
单片机的电源设计包含3个内容，一方面是如何降低电源的功耗;
二是如何设计外围电路和单片机对不同电源电压的需要，即电源分配方案的选择；
三是如何对电源进行管理和监控。
本文主要介绍第二部分内容，如何降低电源功耗其实也是电源管理和监控部分的主要内容。
设计电源首先要解决供电电流，估计供电电源的寿命，确定系统的电源结构。
系统的总电流包括器件电流，分立元件电流和漏电流等，消耗电流I的计算公式为Ｉ＝ＶＣf（V为电压，C为电容，f为频率）电流的大小主要取决于系统的硬件情况，包括元件耗电，漏电等。
本文的电源设计除主要考虑到系统的供电外还考虑到电源的方便性，所以本文采用的是市电供电方式，解决了电池供电的麻烦，但是市电所带来的问题主要有电压过高且不稳定，市电是交流电，没办法直接使用，所以本文设计了专用的电源电路，原理如图3-2：
图3-2电源设计原理图
为了给系统提供可靠的电流，变压器选用220V-12V-2A的变压器，整流采用二极管全桥整流方式，将负向电流整合成正向，为了整流安全，二极管中流过的最大电流应大于流过的平均电流，二极管的反向电压峰值应比二极管在电路中承受的最高反向电压大一倍左右，因此可以选用2C12D二极管。
滤波电路的电容器较大，所以一般采用电解电容器，其具有极性，选择时还要考虑耐压。
稳压电路主要靠稳压
芯片完成对电源的稳压，为了将测量系统和传感器的电源分开，本文采用了两片7805芯片，输出的电压均能满足系统的需要。
电源电路如图3-3：
图3-3电源电路图
3.1.3光电编码器的选择
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；
非接触式的接受敏感元件是光敏元件以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-4所示；
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
图3-4光电编码器原理图
按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
由于增量式编码器的优点是结构简单，除可以直接测量角位移，还常用于测转轴速度，所以风速测量装置采用增量式编码器；
绝对式编码器可以实现“断电记忆”功能，测量唯一只和首尾位置有关系，并且可以单圈自动清零，也可以多圈测量，故本文选用绝对式编码器测量风向。
3.1.4触发器
施密特触发器是MOS触发器的一种，主要应用于波形变换，将三角波、正弦波等波形变成矩形波；
脉冲波整形，将不规则的波形经过施密特触发器整形后获得理想矩形脉冲；
脉冲鉴幅，能将幅度不同的不规则的脉冲信号按触发器预设值进行输出。
常用型号74LS18,7414,74HC14等，本文采用74HC14和74ALS04进行脉冲变化。
74HC14引脚图和内部结构图如图3-5,其真值表如表3.1。
图3-574HC14引脚图
表3.1真值表：
Y=/A
Input输入
output输出
A
Y
L
H
3.1.5光电耦合器
光耦合器是一种通过输入端发光二极管发光，控制输出光电管导通，即利用光耦合方式传送数字信息的特殊器件，最大特点是能将输入和输出两部分隔离开来。
在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声，接地回路噪声等问题，为了使干扰不能传入计算机，以便提高系统的可靠性，所以使用光电耦合器将输入信号与计算机隔开，单片机和计算机的情况一样，都要抗干扰，并且外围的设备可能以为某些原因发生短路等情况，为了不影响单片机的工作，保护单片机，也要将单片机与外围设备隔开，所以本文采用6N137光电耦合器经输入信号与单片机进行隔离。
隔离原理如图3-6：
图3-6光电耦合传输原理图
3.1.6显示器件
在单片机系统中，目前应用较多的显示器主要有LED和LCD。
LED是一种通过控制半导体发光二极管来显示文字、图形、图像等各种信息的显示屏幕，在智能仪表中应用较多。
则LCD为液晶显示器，其特点是功耗极低，但亮度较小，成本较高，常在便携式或低功耗的系统中使用。
综合考虑，本文选择LED显示器来实现其功能。
LED数码管是由七段发光线段组成，每条线段可以是一个或几个发光二极管。
其结构如图3-7所示。
只要使不同段的发光二极管或小数点发光，可改变所显示的数字或字母。
LED七段数码管根据其内部LED的连接方法不同可分成共阴极和共阳极两种接法。
由于发光二极管通常需要几个或几十个毫安培的驱动电流才能发光，因此每个显示模块必须用一个七位的驱动器才能正常工作。
驱动电路也可以用集成电路驱动器，现在常用带译码器的驱动器。
此外，由于要显示的数字为BCD码，而七段数码管的显示模型为七段代码，所以在显示之前必须把BCD码转换成七段代码。
图3-7LED显示器
LED显示器有数码管和点阵单片机系统常用七段数码管，按扫描方式分为静态扫描和动态扫描，动态扫描实现LED轮流显示，利用视觉暂留现象，得到显示的静态效果，其优点是使用硬件少，节省线路空间，本文采用动态扫描方式，选用共YA阳接法的LED，具体型号可选用SR20系列等。
显示原理见图3-8
图3-8显示原理图
3.2硬件系统设计
3.2.1硬件系统框图
风速风向仪的硬件系统包括单片机系统，测风速部分，测风向部分以及显示部分，风速风向仪的硬件系统框图如图3-9：
图3-9硬件系统框图
3.2.2风速采集概述
风速采集部分采用数字式风速测量方法，风带动主轴旋转，转速信号由频率式转速传感器——光电编码器产生，它将转速转换成电脉冲信号，经过放大整形后，获得相同频率的方波信号，通过测量方波的频率F或周期T，测得转速的大小，在乘以风速测向杯的半径大小即得风速大小。
1）测量方法介绍
转速测量方法可以主要分为3类：
◆机械rpm转速测量
通过机械测量传感器采集数据，是最古老的rpm转速测量方法。
传感器采集到的转速资料，还要通过仪器内部的电子分析。
这种测量方法仍被应用，但大多数用于20至10000rpm的低转速测量。
这种测量方法在测量过程中依赖于接触压力，其最大的缺点是加载运动不连续。
另外，机械转频闪法测量rpm转速不可应用于细微物体，如果转动率过高，易发生滑走情况。
◆采用反射原理的电力转速测量法（光学rpm转速测量法）
测量仪器发射出的红外线经固定在待测目标上的反射条反射后，即携带上有关转速信息。
测量仪器接收反射波后，经过处理即可得到转速。
这种测量方法虽然要比机械rpm测量法先进，但是并非所有持待测目标上都可以安装反射条。
◆频闪rpm转速测量法
按照频闪原理，当高速闪光的频率和目标的rpm转速（移动）同步时，在观察者的眼中，目标是静静止的。
同其它的测量方法如机械法或光学传感器法直比，频闪原理的优点显而易见：
这种方法可以用于测量小型目标或不便触及部位的rpm，而不需要在待测目标上固定反射条。
例如，如用于生产过程测量时，便不需中止。
测量范围：
100至20000rpm。
除了测量rpm转速外，频闪测量法还可用于振动分析和动作监控。
对于不同形式的测量方法其测量范围如图3-10所示：
图3-10不同形式的测量范围
目前，在以光电编码器构成的测速系统中，常用的数字式转速测量方法主要有三种，分别是M法（频率法）、T法（周期法）、M/T法（频率／周期法）。
M法是在既定的检测时间内，测量所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速，比较适合于高速场合；
T法是测量相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速，适合速度比较低的场合；
M/T法是同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速。
2）测量方法比较
T法适合速度比较低的场合，当转速较高时其准确性较差；
而M法其性能特点正好与T法相反，比较适合于高速场合，M/T法则是前两种方法的结合，在整个速度范围内都有较好的准确性，但对于低速，该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性。
三种方法的各项性能比较如表3.2所示：
表3.2测量方法比较
方法
项目
M法
T法
M/T法
单位
被测速度
60m1/PTg
60fc/Pm2
60fcm1/Pm2
rpm
检测时间
Tg
Ttach＝60/nP
（60/nP）（nPTg/60＋1）
s
分辨率
60/PTg
nP/（60fc＋nP）
n/（m2－1）
精度e
1/m1
e＋（1/m2）
（e/m1＋（1/m2）
表3.2中，m1、m2：
检测时间间隔内的脉冲计数值（分别对应M、T法）；
T为规定的检测时间间隔；
P为圆光栅编码器每转一圈发出的转速脉冲信号的个数；
fc为Ｔ法中已知频率值（填充被测频率相邻两个脉冲的间隔）；
n是电机每分钟的转速；
Ttach为圆光栅测速脉冲周期；
e是圆光栅编码器的制造误差。
由表3.2可知：
从测速精度来看，若要求高精度测速，M法中应计数值m较大，当检测时间Tg选定后（一般不应过长，以保证测量条件不变且速度快，实现测量快速性），只有被测转速n较高或圆光栅编码器每转一圈发出的转速脉冲信号个数P较多，才能使m1较大。
对于P给定情况，只有n大时，m1才大。
可见M法适于高速测量。
经类似分析可知Ｔ法适于低速测量，考虑高速和低速时的综合性能M/T法最好。
从检测时间来看，M法的检测时间与转速无关，T法的检测时间随着转速的增加而减小，若M/T法牺牲一点分辨率，则可以使检测时间与M法几乎相同。
因此，从综合效果看M/T法是较好的测速方法。
从计算方法来看，M法与T法较为简单，而M/T法的计算较为复杂。
3）测量方案选定
对于一个转速检测系统来说，其关键在于能够使测速结果在整个转速范围内的准确性和分辨率为最佳，并满足快速的动态响应要求。
为此，将速度范围分为两部分，分别采用两种方式进行检测：
◆方式1对应于低速段，采用T法，其原理如图3-11所示。
图3-11方式1原理图
Tn–采样周期；
Te–编码器输出脉冲的周期；
M2–Tn期间所计时脉冲数
假设时钟频率为f,编码器每转脉冲数为P，则对应的实际转速n为
n=60fc/PM2
◆方式2对应于高速段采用M法，相应原理如图3-12所示。
图3-12方式2原理图
Tg—规定的检测时间；
M1—规定检测时间内的脉冲数
假设编码器每转脉冲数为P，转速为n,风杯半径为R则对应的实际风速V为
V=60nM1/PTg
测速电路如图3-13
图3-13测速电路
3.2.3风向电路设计
测风向采用风带动风向标旋转并带动主轴，可以使用机械式测量或者传感测量，机械式测量方法比较落后，精确度也很低，几乎没有智能化，所以现在已经很少采用。
传感器测量采用各种方向传感器进行方向测量的一种方法，按其信号输出方式可以分为光电式，电阻式等，本文选用绝对式光电编码器，其输出的信号可以是BCD码，可以直接被单片机接受，灵敏度也很高较之电阻式传感器使用更方便（由于这个原因，本文实物部分可能与设计有不同）。
而且绝对式编码器有一个零位参考点，风向要求单圈测量，范围在0-360°
内，所以可以用零位参考点对每圈的测量结果进行复位，输出复位信号到单片机，即使断电或者其他原因引起测量滞后也没有影响，因为他的测量结果只与前后的位置有关。
绝对式编码器的精度与它的位数有关，也就是他的输出信号线的多少，精度计算公式为
F=360°
/2*（其中*为位数）
测风向电路如图3-14:
图3-14测风向电路
3.2.4显示电路的设计
本次设计，采用发光二极管显示器。
七段LED有共阴极与共阳极两种。
为了在七段LED上显示字母或数字，必须将其转换可通过硬件译码或软件来实现。
本系统的输出部分就是LED显示驱动。
驱动电路的主要作用是将从单片机传送出来的脉冲进行功率驱动，以便于在数码管上显示。
它由集成电路74LS47和74LS138来担当。
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字.
3.2.5硬件所用元件列表
表3.3元器件清单
名称
数量
变压器
1
6N137光耦
整流二极管
4
增量式光电编码器
0.1uf电容
3
100电阻
22uf电容
1.2K电阻
2
4.7uf电容
NPN9013
15pf电容
4位LED
晶振
AT89C52
绝对式光电编码器
74HC14
74LS138
74HC47
10K电阻
18
2K电阻
9
1000uf电容
开关
四软件系统的设计
4.1软件设计概述
软件设计是基于硬件基础上的，首先必须对系统有充分的了解，熟悉各种所用的芯片的时序以及各管脚的具体功能，还有硬件要实现的具体功能。
合理的分配单片机的硬件资源。
然后给出程序的流程图，并通过他进行软件的设计和调试。
为了充分发挥单片机的智能化作用及降低成本，对于那些可用软件完成又可用硬件完成的功能，尽量用软件来完成。
同时软件设计要尽可能实现功能模块化，这样既方便于调试、链接，又便于移植和修改。
本系统设计的软件全部采用MCS－51汇编语言编写，使用模块化结构，它的优点如下：
（1）.占用内存单元和CPU资源少。
（2）.程序简单，执行速度快。
（3）.可以直接调用计算机的全部资源，并可利用计算机的专用特性。
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