一种光电式风速风向测量系统_贾玉凤

84 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering软件开发・ Software Development<<上接83页【关键词】单片机 光电编码器 LED 测量1 设计方案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，采用一种光电式风速风向测量系统文/贾玉凤1 宋成祥2M 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。

本次设计的电路主要有风速风向采集电路，STC89CS52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，大致设计的思路如图1所示。

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2。

2 软件设计2.1 主程序流程图STC89C52单片机使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得STC89C52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。

首先是要对STC89C52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。

2.2 转速测量方法转速测量方法可以主要分为三类：2.2.1 机械rpm 转速测量33250A 的频率输入接口，同时指示灯亮表示测试开始。

这是有几个常量（输入波形、幅度单位、幅度、输出使能等）会自动的传入33250A 此时可以观察到33250A 的屏幕已经显示了我们设置的第一个频率点的值并且信号输出。

接下来，程序进入顺序结构的后面帧，在这里对频谱分析仪的相关参数（中心频率、参考电平等）进行设置，由于前面信号源的信号已经输出，在这时可以在频谱分析仪上显示了当前信号的频率和幅度，在程序中需要打开频谱分析仪的光标并读出当前信号的频率和幅度，然后把读出的值显示在前面板上，并且存入数组的第一位。

这时顺序结构返回读取第二个频率值，继续前面的测试，以此类推，待所有频率测试完成后，数组中的数据输出到前面的显示表格中同时输出到存储的excel 表格中，这时顺序结构执行完成，输出一个指令给测试指示灯使其灭掉，表示一次完整的测试完成。

图5是部分程序流程框图3.6 设计的关键点(1) 由于滤波器插入损耗的测试是由信号发生器输出信号到频谱分析仪进行显示读数，因此需要两台设备配合一定顺序完成所有频率的测试。

先由信号发生器输出一个频率的信号，然后从频谱分析仪上读出该信号经过滤波器后的幅度值，改变信号发生器输出信号的频率，对应的也需要改变频谱分析仪的设置。

在程序设计时必须考虑数据传输和设备响应的时间差，因此在软件设计中一定要考虑到时序问题，否则很有可能信号发生器一个频率信号已经输出后，频谱分析仪还未配置完成，以致系统读回的值为错误的，导致测试失败。

因此在程序流程中适当增加一些延时来保证计算机控制和实际操作一致。

(2)在测试结果保存功能中需要把每一测试频率点的值与器件编号等信息结合起来，在测试报告中就能很直观的表示出来，因此在软件设计时在适当的位置增加相应的数组元素并保存在表格中。

4 结束语本系统经过不断地调试，目前已经运行了近一年的时间，测试了不同种类的近万只的滤波器，系统运行稳定可靠。

实际应用证明该系统具有测试效率高，测试数据准确等特点。

并且可以基于该系统推广应用至其他器件的测试中，具有较好的实用价值。

参考文献[1]杨乐平,李海淘等.LabVIEW 基础教程高级程序设计［M］.北京:清华大学出版社,2003.作者简介袁文（1982-），男，大学本科学历，学士学位。

现为贵州航天计量测试技术研究所工程师。

目前主要从事微波器件及特殊器件测试技术研究。

作者单位贵州航天计量测试技术研究所 贵州省贵阳市 550009图1：设计思路图图2：硬件系统框图Software Development ・软件开发Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 85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。

2.2.2 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。

2.2.3 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所示。

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。

2.3 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1所示：表1 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1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。

2.4 转速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：对应于低速段，采用T 法。

2.5 风向测量方案选定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）3 系统的调试3.1 硬件调试为安全起见，首先必须进行断电调试。

确认电源电压是否正常。

用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否是电源电压，例如常用的5V 。

接下来就是检查复位引脚电压是否正常。

分别测量按下复位按钮和放开复位按钮的电压值，看是否正确。

然后再检查晶振电路是否起振了，此，现在已经很少有用外部扩ROM 的了），一定要将EA 引脚拉高，否则会出现程序乱跑的情况。

如果系统不稳定的话，有时是因为电源滤波不好导致的。

在单片机的电源引脚跟地引脚之间接上一个0.1uF 的电容会有所改善。

如果电源没有滤波电容的话，则需要再接一个更大滤波电容，例如220uF 的。

遇到系统不稳定时，就可以并上电容试试（越靠近芯片越好）。

3.2 软件调试结构化软件的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。

软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方法。

前者不需要硬件仿真器，借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。

但对于经验丰富的人来说，可以不要仿真器，直接将程序代码烧录到芯片，直接通电试验，观察关键现象。

以参考文献[1]方严军,孙健.智能仪器技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2007．[2]杨志忠,卫桦林,郭顺华.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2004． [3]陈梓城,方勤.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社出版社,2003．作者单位1.济南职业学院　山东省济南市　2500002.山东科学院　山东省济南市　250014530ˈ ˈ ˈ ˈᵪỠᔿݹᆖᔿ仁䰚ᔿ图3：不同形式的测量范围表1：测量方法比较M 法T 法M/T 法单位被测速度60m1/PTg60fc/Pm260fcm1/Pm2rpm 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e1/m1e+(1/m2)(e/m1+(1/m2)方法项目。