基于单片机的风速风压测量系统.docx

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基于单片机的风速风压测量系统

基于单片机的风速风压测量系统

摘要

本文在了解压力传感器工作原理以及单片机相关知识的前提下，介绍了一种新型的的风速风压测量系统。

该系统采用单片机技术,由压力传感器采集数据，对传感器模拟信号提取放大，并进行模数转换，单片机负责控制系统各部分器件的工作并对数字信号进行处理。

然后将压力信息显示在LED接收面板上，同时将信息经串口发送给上位机软件，并由上位机显示出来。

该系统以AT89S52作为微处理器，具有强大的数据计算处理能力及控制能力，此外由于其内部集成了多种硬件电路接口，有效地降低了成本，减小了装置体积。

在压力传感器部分，选用霍尼韦尔公司的传感器，型号为24PCEFH2G[13]。

此外，上位机通信显示部分采用LabVIEW虚拟仪器软件，采用可视化的图形编程语言，以在计算机屏幕上建立图形化的面板来替代常规的传统仪器面板。

系统硬件设计是本课题的重点研究内容，系统分为四个模块，分别为电源模块、数据采集模块、信号处理模块、以及与上位机通信模块。

硬件系统主要完成压力数据的采集、处理、显示、及原理图、PCB版图设计。

软件部分也是本论文的主要工作所在，软件主要完成单片机工作、模数转换器件、以及上位机软件的控制。

同时微控制器软件设计采用了模块化设计方法，增强了软件系统的可移植性、可读性和稳定性。

经过实际的测量，本系统可对外界风速风压进行较为准确的测量。

本装置具有高灵敏度、小型、简单、低耗等优点。

其测量精度、稳定性和可靠性都高于传统的测量仪器。

关键词：

单片机，风压,风速，数据采集，数据处理，压力传感器，LED显示，上位机

THESYSTEMOFWINDPRESSUREANDSPEEDBASEDONTHESINGLE-CHIPCOMPUTER

ABSTRACT

Inthisarticle,withtheknowledgeabouttheworkprincipleofthepressuresensorandknowledgeaboutthesingle-chipcomputertechnology,weintroduceanewsystemofwindpressureandspeedmeasurement,basedonsingle-chipcomputer.Thesystemusesmicrocomputertechnology,thedatacollectedbythepressuresensor,thesensoranalogsignalextractionamplificationandforanalog-digitalconversion,microcomputercontrolsystemfortheworkofthevariouspartsofthedeviceanddigitalsignalforprocessing.ThenthepressureofinformationdisplayedintheLEDpanelonthereceiver,whiletheinformationsenttothehostcomputerviaserialportsoftware,shownbythehostcomputer.Asmicroprocessorsofthesystem,AT89S52haspowerfuldataprocessingpowerandcontrolability,inadditiontoitsinternalintegrationofavarietyofhardwareinterfaces,effectivelyreducesthecostandreducethedevicevolume.Someofthepressuresensor,useHoneywell’ssensormodel24PCEFH2G.Inaddition,thehostcomputercommunicationshowedthatsomeuseLabVIEWvirtualinstrumentsoftwareusingavisualgraphicalprogramminglanguagetobuildacomputerscreengraphicalpaneltoreplacethetraditionalconventionalinstrumentpanel.

Systemhardwaredesignisthefocusofresearchcontentinthisissue,thesystemisdividedintofourmodules,namely,powersupplymodules,dataacquisitionmodule,signalprocessingmodule,aswellaswiththehostcomputercommunicationmodule.Hardwaresystemaccomplishedthepressuredataacquisition,processing,display,andschematics,PCBlayout.Softwarepartiswherethemainworkofthisthesis,thesoftwarewascompletedforSCMwork,ADCparts,andPCsoftwarecontrol.Micro-controllersoftwaredesignalsousesamodulardesignmethods,softwareportability,readabilityandstability.

Aftertheactualmeasurement,thesystemcanbemoreaccurateexternalwindpressuremeasurements.Thisdevicehashighsensitivity,small,simple,lowcostandsoon.Themeasurementismoreaccuracy,stabilityandreliabilitythantraditionalmeasuringinstruments.

Keywords:

microcontroller,airpressure,windspeed,dataacquisition,dataprocessing,pressuresensor,LEDdisplay,PC

第一章引言

1-1课题背景及研究意义

风在日常生活中得到越来越广泛的应用，但是人们目前还无法对其进行极为有效的控制，但是风速的变化和分布也是有一定的规律可循的。

简言之，风速可分解为缓慢变化的分量和快速变化的分量。

在一定的时间尺度上，风俗的平均值可认为是不变的，是缓慢变化的量。

风速和风压的测量在很多领域都有很重要的作用,如环境检测和控制、天气预报、运动休闲、大气环流测量、局部热控系统环流状态测试等方面。

而且风压和风速是日常生活中很关注的一件事情,对于航海、航空、渔业和农业以及风力发电站等部门来说,风压和风速的具体大小则更为重要。

随着检测技术的发展以及人们对环境要求的提高,传统的机械式风速仪已不能满足测量精度和功能的要求。

因此,有必要研制一种有一定风速测量范围,能同时测风压的传感器。

由于环境空间很小,要求传感器尺寸尽可能小,以减少对气流的影响。

采用基于压力传感器的单片机测量系统能省去A/D转换器,电路结构简单、编程处理简单、体积小、重量轻、使用方便,便用于远程风速风压测压。

从而使其具有许多明显的优点：

便于集成和批量化生产,从而保证了传感器性能的重复性和均匀性；降低了传感器校准的复杂性和频繁性；还可以实现传感器的多功能化、系统化和智能化。

在工业生产中，经常使用压力传感器来监测和控制生产过程中的各个参数。

这些监测和控制系统均离不开数据信息的传输。

很多情况下，由于条件所限，采用普通有线电缆引出信号是无法满足要求或者跟本无法实现的。

一个比较好的解决方案就是采用无线传输技术,将采集的数据通过无线链路发送到数据接收端，构成无线数据传输系统。

目前许多应用领域都采用无线的方式进行数据传输，这些领域涉及到小型无线网络、工业数据采集系统、无限遥控系统、非接触RF智能卡等。

无线传输有一些独特的优势，首先，无线通信的数据传输距离比较远；其次，无线通信设备在使用过程中不需要连接通信电缆，简化了工作流程，降低了成本。

因此无线数据采集系统的开发有着非常重要的现实意义。

1-2风速风压传感器发展现状

目前国内外使用的风压和风速传感器其传感部件大多以机械类传感部件为主,此类传感器一般体积大、测量精度不高、灵敏度较低、响应时间也较长,价格也相当昂贵。

而且传统的风速计控制和测量一般采用片内或片外电路方式实现,电路结构复杂,能够测量风速大小,但是很难测量和计算风压,而且系统采用的较多周边元器件,占用面积大。

对于风速的测量一般有三种方法。

其一是利用一维风速传感器,将传感器经过特殊的封装再辅以外部机械传动装置来实现二维风向的测量,或者单纯利用机械传感装置（如风向标）。

其二是单独制作硅二维风向传感器（风向和风速分别由各自的传感器来测量）。

其三是二维风向和风速传感器由一个传感部件构成。

本文介绍的风速与风压智能测定装置是采用高动态性能压力传感器[1，2],并结合单片机技术进行设计,其测量精度、稳定性和可靠性都较高。

相对于其他方法而言,此传感器测量风压和风速是一次性完成的,无须考虑二者在测量时间上的不同步而导致的测量误差,而且避免了繁琐的机械传动装置。

1-3课题研究内容

在工业生产中,风压值是经常需要采集的一个参数。

由于风机经常离控制室的距离较远,其数据采集比较困难。

本课题主要内容是由压力传感器采集数据，对传感器模拟信号提取放大，并进行模数转换，单片机负责控制系统各部分器件的工作并对数字信号进行处理。

然后将压力信息显示在LED接收面板上，同时将信息经串口发送给上位机软件，并由上位机显示出来。

该设计由单片机控制的，过程完全由软件控制完成，中间不需人工干预，提高了系统的测量精度和可靠性。

系统硬件设计是本课题的重点研究内容，硬件结构整体设计是对方案设计的具体化实现。

本系统采用模块化设计的思想，根据功能对系统进行模块划分，设计中考虑到各个模块之间接口的可靠性以及较强的抗干扰能力。

系统分为四个模块，分别为电源模块、数据采集模块、信号处理模块、以及与上位机通信模块。

硬件系统主要完成压力数据的采集、处理、显示、及原理图、PCB版图设计。

软件部分也是本论文的主要工作所在，软件主要完成单片机工作、模数转换器件、以及上位机软件的控制。

同时微控制器软件设计采用了模块化设计方法，增强了软件系统的可移植性、可读性和稳定性。

图1.1基于单片机的风速风压测量系统

Fig.1.1THESYSTEMOFWINDPRESSUREANDSPEEDBASEDONTHESINGLE-CHIPCOMPUTER

第二章系统硬件设计

2-1MCU部分

MCU是整个系统的核心，它直接关系到系统的功能、速度、成本、功耗和体系结构等重要方面，所以要慎重选择。

如果系统工作任务较多，计算量较大，就要考虑使用16位。

如果任务量更繁重，就要考虑采32位ARM处理器。

本系统数据计算量较小，对内存要求较低，同时考虑到实现成本，因此采用52系列8位单片机[7,8,9]即可完成任务。

2-1-1AT89S52型单片机主要性能

本课题设计中选用的是Atmel公司的AT89S52型单片机，此款单片机有如下特点

1、ProgramFlash64K,可以满足设计需要。

2、At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

3、使用Atmel公司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。

4、AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

5、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。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52

2-1-2AT89S52型单片机结构概述

　　P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

　　P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

　　P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

　　P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

　　P1.5MOSI（在系统编程用）

　　P1.6MISO（在系统编程用）

　　P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

　　端口引脚第二功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2INTO（外中断0）

　　P3.3INT1（外中断1）

　　P3.4TO（定时/计数器0）

　　P3.5T1（定时/计数器1）

　　P3.6WR（外部数据存储器写选通）

　　P3.7RD（外部数据存储器读选通）

　　此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

　　RST——复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

　　ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

　　PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

　　EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

图2.1单片机电路

Fig.2.1TheCircuitofMCU

2-2压力传感器

2-2-1压力传感器的性能参数及选用

传感器是现代检测和控制系统的重要组成部分。

传感器的作用就是把被测量的非电量信号（如力、热、声、磁和光等物理量）转换成与之成比例的电量信号（如电压和电流）。

压力传感器可以将测量点的差压信号转化成电信号。

实际的系统中所应用的传感器既有电压输出的,也有电流输出的,而一般的数据采集都是采集电压信号[11,12],电压信号易于测量；可以用万用表或示波器很简便

的测量；也易于观察；用示波器可以很直观

的观察信号

的变化情况；还易于控制。

在条件允许的条件下,优先选取电压输出的传感器。

压力传感器有一些重要的特性参数，在选用压力传感器时需要参考。

1、测量范围：

在允许误差限内被测量值的范围成为测量范围。

准确度：

被测量的测量结果与真值间的一致程度。

2、重复性：

相同测量条件下，对于同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。

迟滞：

当被测量值增加或者减少时，输出中出现的最大差值。

3、零点漂移：

在规定的时间间隔及标准条件下，零点输出值的变化。

由于周围温度变化引起的零点漂移称为热零点漂移。

本文选用的压力传感器选用霍尼韦尔公司的传感器，型号为24PCEFH2G[13]。

特点：

专利的导电密封，可以测量负压.

产品运用：

医疗仪器、气压测量、HVAC控制、气动控等

电气连接：

PCB安装

压力类型：

差压

压力量程：

0.5PSI

供电电源：

0~12VDC

精确度：

±0.25%FS

工作温度：

-40℃~85℃

补偿温度：

无

2-2-2惠斯通电桥

压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯通电桥形式如图2.3所示，其中V为被测量的压力所转换成的电压信号,假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R,当有应力时,两个电阻阻值增加,增量为

另两个电阻阻值减小,减小量为

由于温度影响,使每个电阻值都有

的变化量。

硅晶体传感器的主要特性是灵敏度和线性度当外界条件发生变化时传感器的灵敏度和线性度均要受到一定的影响其中非线性与掺杂浓度温度及压力有关

传感器输出的温度漂移一般是不可避免的，但可以通过其他技术手段加以控制本文利用温度系数为正值的电阻和温度系数为负值的电阻所组成的双惠斯登电桥来减小温度漂移从而提高压力传感器输出精度

图2.2压力传感器电桥电路

Fig.2.2Theelectronicbridgecircuitofpressuresensor

引脚编号

A脚：

VS（+）被表明于传感器表面

B脚：

输出（+）

C脚：

接地（-）

D脚：

输出（-）

电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，

但与温度无关，因此测量不受温度的影响

电桥的输出为：

2-3放大电路

智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：

信号幅度很小（毫伏甚至微伏量级），且常常伴随有较大的噪声。

对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。

放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。

仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。

仪表放大器与一般的通用运算放大器相比，性能有更为特殊的要求,表现在：

1、高共模抑制比：

共模抑制比（CMRR）则是差模增益（Ad）与共模增益（Ac）之比,即:

CMRR=20lg|Ad/Ac|dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR典型值为70～100dB以上。

 2、高输入阻抗：

仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为109～1012Ω.

   3、低噪声：

仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在1kHz条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz.

     4、低线性误差：

输入调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,它不能由外部调整来消除。

一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%,有的甚至低于0.0001%.

   5、低失调电压和失调电压漂移　仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100μV和2mV.

    6、低输入偏置电流和失调电流误差　双极型输入运算放大器的基极电流,FET型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。

双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA～50pA;而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50pA.

    7、充裕的带宽仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽,典型的单位增益小信号带宽在500kHz～4MHz之间。

    8、具有“检测”端和“参考”端　仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端,允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降（IR）的影响可减至最小。

我们选用了美国ADI公司开发的性能优异的仪表放大器AD623。

AD623是美国ADI公司最新推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压（通常称之为电源限输出）的仪表放大器[17]。

它的主要特点[18,19,20]如下：

1.使用一只外接电阻设置增益Ｇ，使Ｇ可高达1000，从而给用户带来了极大方便。

2.具有优良的直流特性。

3．具有优良的共模抑制比CMRR（且它随增