摘要：风是日常生活中经常遇到的现象，随着人类科技知识的不断发展，对风力资源的利用也越来越广泛，怎样测量风的速度和风力等级就成为一个重要的课题。该设计在介绍AT89C2051单片机的性能和特点基础上，结合光电传感器测量脉冲个数，利用liyongLCD显示来实现测量风速的功能。其中硬件电路由电源模块、风叶转动输出脉冲电路、AT89C2051单片机控制电路组成；并编写了软件控制程序；利用Proteus软件对该设计软硬件进行了仿真。
关键词：AT89C2051；风速；LCD显示；Proteus
在对气象学越来越重视的今天，天气情况数据的采集显得尤为重要。风速是天气情况数据中的一个重要的参数，对它的测量会影响到气象预报的准确性。同时，风力、风速的测量在某些行业，如煤炭、汽车、飞机、电力等都十分重要。最原始的风速仪，靠人工测量，精度较差，数据更新也不及时。再后来国内使用的风速仪，沿用机械传动，灵敏度低，误差较大，对于有较多的测风点的地方常采用一个计数器测量，而野外自然风风向与风速变化较大，利用此类风速仪会引起失真和较大误差。基于单片机设计的LCD显示风速仪，可以克服机械式风速仪的弊端，是对机械式风速仪的有益补充。
该系统借助传统风速仪测量设备，以单片机AT89C2051为处理信号的工具，使风速的测量精确、及时。并且，由于单片机的使用，使本设计的体积较小，适合外出携带，操作方便，具有较高的经济效益。因此，本文设计了基于单片机的LCD显示风速仪。
1 硬件电路设计
1.1 性能要求
本风速仪检测风速范围0.01～30.00 m/s，采样周期为1 s。同时可测试温度值，可显示正负温度值。
1.2 测量原理
在进行转速测量时，为了得到精确地转速测量方法，一般在转动轴上安装齿盘装置（一般为60齿）。在管壁上安装传感器检测轴转动时带动齿盘转动的变化，得到一系列连续不断的脉冲，通过测试脉冲的频率，换算出当前时刻的转速。在进行长期测量系统设计时，管壁上一般安装变磁阻式或电涡流式传感器。而在进行临时性转速测量系统设计时，多采用光电传感器作为识别转速变化的传感装置。不论长期还是临时转速测量，都可以在微控制器的处理下，通过测量转轴上齿盘转动得到的鉴相信号或光电信号的周期，得出转轴的频率或转速。也就是通过传感装置将转速信号变为电脉冲，再利用微控制器在单位时间内对脉冲进行计数，再通过软件编程和计算获得转速的数据。即：
式中：n为表示转速，单位为r/min；N表示在采样时间内所记录的脉冲个数；T表示采样周期，单位为min；m表示转动轴每旋转一周所产生的脉冲个数（也就是指测速码盘的齿数）。如果m=60，那么1 s内脉冲个数N就是转速n，即：
1.3 电路方框图
总体电路方框图如图1所示。
图1 总体电路方框图
各模块的功能如下：
（1）传感器：感知模拟信号，并转化为电信号。
（2）信号放大、整形电路：对传感器采集的数据进行放大和整形，以利于信号处理。
（3）微控制器：对信号进行处理和转换，并通过软件编程的方法得到实际转速值。一般采用单片机。
（4）显示：转速显示器件，可采用LED或者LCD，本系统采用LCD。
1.4 设计中所用主要元器件介绍
1.4.1 AT89C2051
当今生产单片机的厂商很多，产品多样，性能各异。在此最终选用了Atmel公司的AT89C2051单片机。AT89C2051是Atmel公司生产的电压较低、性能较高的CMOS 8位单片机，单片机内部内含2 KB的可重复擦写的PEROM和128B的RAM，器件的存储系统采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准51系列指令系统，同时，片子内部有8位的中央处理器和FLASH存储单元，功能强大。AT89C2051提供以下标准功能：2 KB FLASH闪速存储器，15个I/O口线，128 B内部RAM，两个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，一个5矢量两级中断结构，片内振荡器和时钟电路，内置一个精准比较器。另外，AT89C2051可降至0 Hz频率进行静态逻辑操作，并支持两种节能模式。空闲模式下CPU不工作，而RAM、串行通信口、定时/计数器和中断系统继续工作。掉电方式下有效保存RAM中的内容，同时振荡器停止工作，并禁止其他所有模块工作直到对硬件进行复位。
1.4.2 光电传感器
光电传感器是把光信号转换为电信号的光电耦合器件，它广泛应用与测量及自动控制等领域，用以检测可见光和不见光。光电传感器的种类繁多，有光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。实际使用时，要根据具体情况选择合适的光电传感器。这里介绍一种由发光二极管和光电三极管组成的光电对管，见图2。
图2 光电对管示意图
电流的作用能使硅材料发出可见光或红外线。反之，光的照射能改变硅材料的导电性能。利用这一现象可以制成光电器件。把发光二极管和光电三极管组合起来，就构成光电对管，这种器件也称为“红外发射—接收对管”或“光电开关”。如果光路畅通，三极管输出电平Uo为低电平；如果光路被遮断，三极管输出电平Uo为高电平。
当光电对管中间没有挡板时，发光二极管中有电流通过时，会发出红外光，光照射光电三极管b极（基极）时，会使发光三极管的c极和e极之间导通，Uo输出低电平约0.3 V。当光电对管中间有挡板时，二极管发出的光被挡板隔离，此时没有光照射三极管b极（基极）时，光电三极管的c极（集电极）和e极（发射极）之间不导通，Uo处于高电平。
本设计中光电对管与码盘按图3所示构成转速传感器。码盘圆周被等分（例如50或60等分），形成等宽的透光和遮光的相间条码。将码盘与被测旋转机构同轴安装，码盘边缘插在光电对管的中缝处。当被测旋转机构匀速转动时，码盘边缘的条码交替地透光和遮光，光电对管就会输出一连串电脉冲信号，电脉冲信号的频率与码盘的转速成正比。
测量过程如图4所示。当物体作转速运动时，其速度也可用类似的方法测量。
1.5 单元电路设计
（1）电源模块。电源采用2节1.5 V电源供电，3 V电源经TCM680电源转换和7805稳压，输出±5 V电源，如图5所示。
（2）风叶转动输出脉冲电路。风叶转动带动轮机转动，轮轴上接有一光挡板，挡板转动时会使光电对管输出连续的脉冲（脉冲宽度依据转速而定），波形经9013放大后输出。如图6所示。
（3）主电路图（89C2051单片机控制）如图7所示。
图3 码盘⁃光电对管组成的光电传感器
图4 码盘式转速测量系统框图
2 软件设计思路描述
针对当前风速采集检测设备普遍体积大、质量大、数据需要有线传输而非常不便携的现象，选用AT89C2051单片机设计了集数据采集、显示、传输于一体的便携式风速采集系统，同时采用模块化的设计理念，使该系统具有了电源独立供电、手持独立操作、数据传输方便的特点，对工业应用中风速采集检测系统的设计有一定的借鉴意义。
图5 电源模块
图6 风叶转动输出脉冲电路
图7 主电路图（89C2051单片机控制）
风向风速测量仪主要由风向风速传感器、数据采集器组成。风向风速传感器是将风向风速这两个物理量转换为电信号。数据采集器将风向风速输出的电信号进行处理、计算、存储、输出。因转盘的转速正比于风速，即码盘产生的脉冲频率正比于风速，于是在三极管9013输出端脚上得到了一连串表征风速的脉冲群，根据脉冲个数与风速关系进行设计软件，并采用LCD显示实现，计算公式为：
式中：l表示风碗旋转一周的周长；k表示风碗旋转一周的脉冲数；P显示分辨率。
3 仿真与调试的电路图和说明
图8是假设室外温度为27.4℃时，波形为1 kHz时的仿真图。
图8 波形为1 kHz时的仿真图
图9为假设室外温度为12.5℃时，产生波形为500 Hz的仿真图。
图10为假设温度为27.4℃时，产生波形为2 kHz的仿真图。
4 结论
在进行转速测量时，采用智能处理芯片——单片机，可有效提高测量的精度，并且可以自由设置采样时间，具有很好的时效性。本文介绍的转速测量方法简单、实用，可实现对高、低转速的测量，同时亦可以测量环境温度，精确度高，实用性强，具有很好的应用前景。
图9 波形为500 kHz的仿真图
图10 波形为2 kHz的仿真图
