1 引言

風(fēng)速風(fēng)向測量是氣象監(jiān)測的重要組成部分， 測量風(fēng)速風(fēng)向?qū)θ祟惛玫匮芯考袄蔑L(fēng)能和改善生活生產(chǎn)有積極的影響。

本系統(tǒng)針對傳感器的特點(diǎn)選用了LPC921 單片機(jī)，通過I/O 口輸出高低電平，通過放大電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制傳感器電源的開關(guān)。利用單片機(jī)的兩個(gè)通用定時(shí)計(jì)數(shù)器， 對風(fēng)速脈沖進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)， 通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)計(jì)算出風(fēng)速。風(fēng)向則是檢測輸入的風(fēng)向格雷碼， 將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼， 通過查表的方式求出風(fēng)向角度， 最終確定風(fēng)向。最后設(shè)計(jì)RS485 通信協(xié)議，保證通信可靠性， 將風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)送往上位機(jī)進(jìn)行顯示和發(fā)布。

2 傳感器工作原理

本系統(tǒng)采用長春氣象儀器研究所的EC9 -1 系列高收稿日期：2010-03-05動(dòng)態(tài)性能測風(fēng)傳感器。EC9 - 1 系列傳感器具有動(dòng)態(tài)性能好、線性精度高、靈敏度高、測量范圍寬、互換性好、抗風(fēng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)。

風(fēng)速傳感器的感應(yīng)組件為三杯式風(fēng)杯組件， 當(dāng)風(fēng)速大于0.4m/s 時(shí)就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)， 信號變換電路為霍爾集成電路。在水平風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)， 通過主軸帶動(dòng)磁棒盤旋轉(zhuǎn)， 其上的數(shù)十只小磁體形成若干個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場， 通過霍爾磁敏元件感應(yīng)出脈沖信號， 其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。

計(jì)算公式：V=0.1F。

V：風(fēng)速，單位：m/s; F：脈沖頻率，單位：Hz風(fēng)向傳感器的感應(yīng)組件為前端裝有輔助標(biāo)板的單板式風(fēng)向標(biāo)。角度變換采用的是七位格雷碼光電碼盤。

當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)時(shí)， 通過主軸帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)， 每轉(zhuǎn)動(dòng)2.8125°，位于碼盤上下兩側(cè)的七組發(fā)光與接收光電器件就會產(chǎn)生一組新的七位并行格雷碼，經(jīng)過整形、倒相后輸出。方位- 角度- 格雷碼- 二進(jìn)制碼對照表是風(fēng)向測量單片機(jī)編程的重要依據(jù)。傳感器結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)組成圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

該風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)主要由電源模塊、主控制模塊、輸入輸出模塊和通信模塊4 部分構(gòu)成。硬件電路示意圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路示意圖

3.1 電源模塊

電源包括LPC921 芯片工作的3.3V 電源和測風(fēng)傳感器工作的5 V 電源。電源穩(wěn)壓芯片采用AS1117 。

AS1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，其壓差在1.2V輸出， 負(fù)載電流為800mA 時(shí)為1.2V， 有多個(gè)固定電壓輸出型號，包括3.3V 和5V。通過電源指示、防雷、穩(wěn)壓和濾波處理，能夠?yàn)楦鱾€(gè)芯片和傳感器提供穩(wěn)定的工作電源。

3.2 主控制模塊和輸入輸出模塊

P89LPC921 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合?？梢詽M足多方面的性能要求。P89LPC921 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2 到4 個(gè)時(shí)鐘周期。6 倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51 器件。P89LPC921 集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。

20 腳TSSOP 封裝的LPC921 芯片，除去電源、地、晶振、復(fù)位管腳，還有15 個(gè)可用I/O 口。P0 口的P0.0到P0.6 作為風(fēng)向七位格雷碼的輸入引腳，P1.2 腳同時(shí)是定時(shí)計(jì)數(shù)器0 的引腳， 我們將其作為風(fēng)速脈沖的輸入引腳。P1.0 和P1.1 用作RS485 通信，P1.3 作為RS485通信收發(fā)控制引腳。P1.7 用作繼電器控制引腳，控制傳感器電源的導(dǎo)通和關(guān)閉。同時(shí)，P0.4 和P0.5 也是用芯片程序下載接口，在此，用3 腳跳線將P0.4 和P0.5 引出，使其作為復(fù)用引腳。LPC921 采用ICP 下載器下載程序， 下載程序時(shí)要將電源和地與周圍電路隔離， 因此電源和地的引腳應(yīng)使用2 條跳線引出。

LPC921 管腳可承受5V 工作電壓，因此5V 脈沖信號和格雷碼在經(jīng)過防雷， 濾波后可以直接接到單片機(jī)引腳上。輸出部分主要是單片機(jī)輸出引腳通過驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器， 在此， 繼電器選用***欣大繼電器9 4 6 H -1C-5D，工作電壓5V， 驅(qū)動(dòng)電流70mA。驅(qū)動(dòng)電路三極管采用9013H，直流增益150，限流電阻R5 選8.2K 或5 。 6 K。為了防止繼電器的反向感生電動(dòng)勢燒壞三極管甚至前邊的電路比如單片機(jī)， 應(yīng)在繼電器兩端反向并聯(lián)二極管， 該二極管的正極應(yīng)該在三極管集電極那端， 負(fù)極接正5 V 端。繼電器的使用可以降低系統(tǒng)功耗， 延長傳感器的使用壽命。

主控制模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 主控制模塊電路圖

3.3 通信模塊

本系統(tǒng)提供了兩種通信方式， 一種是RS485 通信，采用M A X 4 8 5 E 收發(fā)器， 接口電路如圖3 中所示。另一種是采用短距離無線方式傳輸， 因?yàn)楹芏嗲闆r下， 風(fēng)速風(fēng)向觀測點(diǎn)距離數(shù)據(jù)處理中心并不遠(yuǎn)， 采用無線傳輸可以節(jié)省鋪線成本并提高應(yīng)用的靈活性。短距離無線傳輸采用的是華奧通H A C - U M 數(shù)傳模塊， 傳輸距離可達(dá)1 0 0 0 米， 數(shù)據(jù)輸入接M A X 4 8 5 的A 、B 端輸出， 并由LPC921 提供休眠控制，電源則共用系統(tǒng)電源模塊的3.3 V 或5 V 電源。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)速測量程序設(shè)計(jì)

由測風(fēng)傳感器資料可知，Ｖ＝ 0.1 Ｆ，其中Ｆ為傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖頻率。將Ｔ１做為定時(shí)器， 將Ｔ０作為計(jì)數(shù)器。Ｔ１與Ｔ０同時(shí)工作， 如果Ｔ１定時(shí)１秒， 則Ｔ０計(jì)數(shù)值即為此刻風(fēng)速的１０倍。由此可知最終的風(fēng)速測量精度為0.1 ｍ /s。LPC921 的兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器共有5 種工作模式，本系統(tǒng)選擇模式1，即T0，T1 均為16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，THn 和TLn 級聯(lián)，無預(yù)分頻器。

系統(tǒng)選用7.373MHz 外部晶振， 在不預(yù)分頻情況下， 定時(shí)計(jì)數(shù)器工作頻率為：7.373/2MHz。16 位的定時(shí)器在初值為0 的情況下， 溢出一次共計(jì)時(shí)次數(shù)為6 5 5 3 5（0xFFFFH），共計(jì)時(shí)時(shí)間為17.777ms，所以在定時(shí)器中斷56 次之后共計(jì)延時(shí)約1 秒。

風(fēng)速測量子程序流程圖如圖4 所示。

圖4 風(fēng)速測量子程序流程圖

4.2 風(fēng)向測量程序設(shè)計(jì)

風(fēng)向測量先測得7 位格雷碼的輸入， 通過7 位輸入值計(jì)算出格雷碼， 再通過格雷碼換算成二進(jìn)制碼， 最后通過查表法得出風(fēng)向角度。

格雷碼（Gray code），又叫循環(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼。格雷碼屬于可靠性編碼， 是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式， 因?yàn)椋?自然二進(jìn)制碼可以直接由數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號， 但某些情況， 例如從十進(jìn)制的3 轉(zhuǎn)換成4 時(shí)二進(jìn)制碼的每一位都要變， 使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點(diǎn)， 它是一種數(shù)字排序系統(tǒng)， 其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個(gè)數(shù)字不同。它在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)， 只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆。

表1 方位- 角度- 格雷碼- 二進(jìn)制碼對照表

n 位格雷碼轉(zhuǎn)換到n 位二進(jìn)制碼的邏輯關(guān)系式（B 代表二進(jìn)制碼，R 代表格雷碼）：

在C 語言里面實(shí)現(xiàn)風(fēng)向格雷碼到二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換程序如下：

Wind_Tbl 數(shù)組里面依次存儲的是二進(jìn)制碼對應(yīng)的角度值， 該值于方位- 角度- 格雷碼- 二進(jìn)制碼對照表， 該表由傳感器資料提供。如表1 所示。

5 結(jié)束語

LPC921 本身自帶一個(gè)全雙工的串行口，使用RS485收發(fā)器可以與外部進(jìn)行485 串行通信。通過編寫簡單通信協(xié)議，多個(gè)風(fēng)速風(fēng)向測量子系統(tǒng)都可以與PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。最后在ＰＣ機(jī)上編寫上位機(jī)程序， 定時(shí)或主動(dòng)給下位機(jī)發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令，下位機(jī)收到命令進(jìn)行地址，命令類型和校驗(yàn)等檢驗(yàn)后給上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)， 上位機(jī)收到命令后進(jìn)行校驗(yàn)， 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和顯示。實(shí)踐證明本系統(tǒng)在測量風(fēng)速風(fēng)向上有著較高的準(zhǔn)確性和可靠性。