基于單片機(jī)的數(shù)顯風(fēng)速儀設(shè)計(jì)

陳國(guó)良　岳云峰

摘 要： 風(fēng)是日常生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，隨著人類科技知識(shí)的不斷發(fā)展，對(duì)風(fēng)力資源的利用也越來(lái)越廣泛，怎樣測(cè)量風(fēng)的速度和風(fēng)力等級(jí)就成為一個(gè)重要的課題。該設(shè)計(jì)在介紹AT89C2051單片機(jī)的性能和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合光電傳感器測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，利用liyongLCD顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量風(fēng)速的功能。其中硬件電路由電源模塊、風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)輸出脈沖電路、AT89C2051單片機(jī)控制電路組成；并編寫了軟件控制程序；利用Proteus軟件對(duì)該設(shè)計(jì)軟硬件進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞：AT89C2051； 風(fēng)速； LCD顯示； Proteus

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）12?0121?04

Abstract： wind is a phenomenon often encountered in everyday life. With the continuous development of human scientific knowledge， the wind resource has been widely used， and how to measure wind speed and wind scale has become an important issue. The performances and features of MCU AT89C2051 are introduced for the design of MCU?based digital readout anemometer， whose function of wind speed measurement is realized by measuring the number of pulses of photoelectric sensors and using LCD display. Its hardware circuit is composed of power module， pulse circuit of fan blade rotation output and control circuit of 89C2051 MCU. The software control program was compiled. The designed hardware and software were simulated by means of PROTEUS software.

Keywords： MCU； wind velocity； LCD display； PROTEUS

在對(duì)氣象學(xué)越來(lái)越重視的今天，天氣情況數(shù)據(jù)的采集顯得尤為重要。風(fēng)速是天氣情況數(shù)據(jù)中的一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)它的測(cè)量會(huì)影響到氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，風(fēng)力、風(fēng)速的測(cè)量在某些行業(yè)，如煤炭、汽車、飛機(jī)、電力等都十分重要。最原始的風(fēng)速儀，靠人工測(cè)量，精度較差，數(shù)據(jù)更新也不及時(shí)。再后來(lái)國(guó)內(nèi)使用的風(fēng)速儀，沿用機(jī)械傳動(dòng)，靈敏度低，誤差較大，對(duì)于有較多的測(cè)風(fēng)點(diǎn)的地方常采用一個(gè)計(jì)數(shù)器測(cè)量，而野外自然風(fēng)風(fēng)向與風(fēng)速變化較大，利用此類風(fēng)速儀會(huì)引起失真和較大誤差?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的LCD顯示風(fēng)速儀，可以克服機(jī)械式風(fēng)速儀的弊端，是對(duì)機(jī)械式風(fēng)速儀的有益補(bǔ)充。

該系統(tǒng)借助傳統(tǒng)風(fēng)速儀測(cè)量設(shè)備，以單片機(jī)AT89C2051為處理信號(hào)的工具，使風(fēng)速的測(cè)量精確、及時(shí)。并且，由于單片機(jī)的使用，使本設(shè)計(jì)的體積較小，適合外出攜帶，操作方便，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的LCD顯示風(fēng)速儀。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 性能要求

本風(fēng)速儀檢測(cè)風(fēng)速范圍0.01～30.00 m/s，采樣周期為1 s。同時(shí)可測(cè)試溫度值，可顯示正負(fù)溫度值。

1.2 測(cè)量原理

在進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，為了得到精確地轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，一般在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝齒盤裝置（一般為60齒）。在管壁上安裝傳感器檢測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)的變化，得到一系列連續(xù)不斷的脈沖，通過(guò)測(cè)試脈沖的頻率，換算出當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，管壁上一般安裝變磁阻式或電渦流式傳感器。而在進(jìn)行臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，多采用光電傳感器作為識(shí)別轉(zhuǎn)速變化的傳感裝置。不論長(zhǎng)期還是臨時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量，都可以在微控制器的處理下，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)軸上齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)得到的鑒相信號(hào)或光電信號(hào)的周期，得出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。也就是通過(guò)傳感裝置將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖，再利用微控制器在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過(guò)軟件編程和計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。即：

各模塊的功能如下：

（1） 傳感器：感知模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

（2） 信號(hào)放大、整形電路：對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大和整形，以利于信號(hào)處理。

（3） 微控制器：對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，并通過(guò)軟件編程的方法得到實(shí)際轉(zhuǎn)速值。一般采用單片機(jī)。

（4） 顯示：轉(zhuǎn)速顯示器件，可采用LED或者LCD，本系統(tǒng)采用LCD。

1.4 設(shè)計(jì)中所用主要元器件介紹

1.4.1 AT89C2051

當(dāng)今生產(chǎn)單片機(jī)的廠商很多，產(chǎn)品多樣，性能各異。在此最終選用了Atmel公司的AT89C2051單片機(jī)。AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的電壓較低、性能較高的CMOS 8位單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部?jī)?nèi)含2 KB的可重復(fù)擦寫的PEROM和128B的RAM，器件的存儲(chǔ)系統(tǒng)采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，兼容標(biāo)準(zhǔn)51系列指令系統(tǒng)，同時(shí)，片子內(nèi)部有8位的中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2 KB FLASH閃速存儲(chǔ)器， 15個(gè)I/O口線，128 B內(nèi)部RAM，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信口，一個(gè)5矢量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路，內(nèi)置一個(gè)精準(zhǔn)比較器。另外，AT89C2051可降至0 Hz頻率進(jìn)行靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種節(jié)能模式?？臻e模式下CPU不工作，而RAM、串行通信口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式下有效保存RAM中的內(nèi)容，同時(shí)振蕩器停止工作，并禁止其他所有模塊工作直到對(duì)硬件進(jìn)行復(fù)位。

1.4.2 光電傳感器

光電傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電耦合器件，它廣泛應(yīng)用與測(cè)量及自動(dòng)控制等領(lǐng)域，用以檢測(cè)可見(jiàn)光和不見(jiàn)光。光電傳感器的種類繁多，有光電二極管、光電三極管、集成光電傳感器等。實(shí)際使用時(shí)，要根據(jù)具體情況選擇合適的光電傳感器。這里介紹一種由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電對(duì)管，見(jiàn)圖2。

電流的作用能使硅材料發(fā)出可見(jiàn)光或紅外線。反之，光的照射能改變硅材料的導(dǎo)電性能。利用這一現(xiàn)象可以制成光電器件。把發(fā)光二極管和光電三極管組合起來(lái)，就構(gòu)成光電對(duì)管，這種器件也稱為“紅外發(fā)射—接收對(duì)管”或“光電開(kāi)關(guān)”。如果光路暢通，三極管輸出電平Uo為低電平；如果光路被遮斷，三極管輸出電平Uo為高電平。

當(dāng)光電對(duì)管中間沒(méi)有擋板時(shí)，發(fā)光二極管中有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)發(fā)出紅外光，光照射光電三極管b極（基極）時(shí)，會(huì)使發(fā)光三極管的c極和e極之間導(dǎo)通，Uo輸出低電平約0.3 V。當(dāng)光電對(duì)管中間有擋板時(shí)，二極管發(fā)出的光被擋板隔離，此時(shí)沒(méi)有光照射三極管b極（基極）時(shí)，光電三極管的c極（集電極）和e極（發(fā)射極）之間不導(dǎo)通，Uo處于高電平。

本設(shè)計(jì)中光電對(duì)管與碼盤按圖3所示構(gòu)成轉(zhuǎn)速傳感器。碼盤圓周被等分（例如50或60等分），形成等寬的透光和遮光的相間條碼。將碼盤與被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同軸安裝，碼盤邊緣插在光電對(duì)管的中縫處。當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤邊緣的條碼交替地透光和遮光，光電對(duì)管就會(huì)輸出一連串電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)的頻率與碼盤的轉(zhuǎn)速成正比。

測(cè)量過(guò)程如圖4所示。當(dāng)物體作轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度也可用類似的方法測(cè)量。

1.5 單元電路設(shè)計(jì)

（1） 電源模塊。電源采用2節(jié)1.5 V電源供電，3 V電源經(jīng)TCM680電源轉(zhuǎn)換和7805穩(wěn)壓，輸出±5 V電源，如圖5所示。

（2） 風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)輸出脈沖電路。風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪軸上接有一光擋板，擋板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使光電對(duì)管輸出連續(xù)的脈沖（脈沖寬度依據(jù)轉(zhuǎn)速而定），波形經(jīng)9013放大后輸出。如圖6所示。

（3） 主電路圖（89C2051單片機(jī)控制）如圖7所示。

2 軟件設(shè)計(jì)思路描述

針對(duì)當(dāng)前風(fēng)速采集檢測(cè)設(shè)備普遍體積大、質(zhì)量大、數(shù)據(jù)需要有線傳輸而非常不便攜的現(xiàn)象，選用AT89C2051單片機(jī)設(shè)計(jì)了集數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸于一體的便攜式風(fēng)速采集系統(tǒng)，同時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，使該系統(tǒng)具有了電源獨(dú)立供電、手持獨(dú)立操作、數(shù)據(jù)傳輸方便的特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)應(yīng)用中風(fēng)速采集檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x主要由風(fēng)向風(fēng)速傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成。風(fēng)向風(fēng)速傳感器是將風(fēng)向風(fēng)速這兩個(gè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集器將風(fēng)向風(fēng)速輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算、存儲(chǔ)、輸出。因轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速， 即碼盤產(chǎn)生的脈沖頻率正比于風(fēng)速， 于是在三極管9013輸出端腳上得到了一連串表征風(fēng)速的脈沖群，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)與風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件，并采用LCD顯示實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式為：

[t=1kp]

式中：l表示風(fēng)碗旋轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)；k表示風(fēng)碗旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)；P顯示分辨率。

3 仿真與調(diào)試的電路圖和說(shuō)明

圖8是假設(shè)室外溫度為27.4 ℃時(shí)，波形為1 kHz時(shí)的仿真圖。

4 結(jié) 論

在進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，采用智能處理芯片——單片機(jī)，可有效提高測(cè)量的精度，并且可以自由設(shè)置采樣時(shí)間，具有很好的時(shí)效性。本文介紹的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高、低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，同時(shí)亦可以測(cè)量環(huán)境溫度，精確度高，實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐明，朱慶春.風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].氣象水文海洋儀器，2008（4）：5?10.

[2] 宋潔茹，王軍成.一種小型無(wú)線風(fēng)速儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（8）：92?93.

[3] 陳梅，洪飛，李鑫，等.風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用與研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008（4）：39?42.

[4] 李安迎，鄧靖靖，鄧世建，等.基于三杯式風(fēng)速傳感器的風(fēng)速監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2010（z2）：121?124.

[5] 秦香麗，祖靜，裴東興，等.基于MSP430單片機(jī)的熱線式風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（8）：116?117.

[6] 王曉棟.一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)用風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)校外教育，2008（4）：57.

1.4.2 光電傳感器

光電傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電耦合器件，它廣泛應(yīng)用與測(cè)量及自動(dòng)控制等領(lǐng)域，用以檢測(cè)可見(jiàn)光和不見(jiàn)光。光電傳感器的種類繁多，有光電二極管、光電三極管、集成光電傳感器等。實(shí)際使用時(shí)，要根據(jù)具體情況選擇合適的光電傳感器。這里介紹一種由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電對(duì)管，見(jiàn)圖2。

電流的作用能使硅材料發(fā)出可見(jiàn)光或紅外線。反之，光的照射能改變硅材料的導(dǎo)電性能。利用這一現(xiàn)象可以制成光電器件。把發(fā)光二極管和光電三極管組合起來(lái)，就構(gòu)成光電對(duì)管，這種器件也稱為“紅外發(fā)射—接收對(duì)管”或“光電開(kāi)關(guān)”。如果光路暢通，三極管輸出電平Uo為低電平；如果光路被遮斷，三極管輸出電平Uo為高電平。

當(dāng)光電對(duì)管中間沒(méi)有擋板時(shí)，發(fā)光二極管中有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)發(fā)出紅外光，光照射光電三極管b極（基極）時(shí)，會(huì)使發(fā)光三極管的c極和e極之間導(dǎo)通，Uo輸出低電平約0.3 V。當(dāng)光電對(duì)管中間有擋板時(shí)，二極管發(fā)出的光被擋板隔離，此時(shí)沒(méi)有光照射三極管b極（基極）時(shí)，光電三極管的c極（集電極）和e極（發(fā)射極）之間不導(dǎo)通，Uo處于高電平。

本設(shè)計(jì)中光電對(duì)管與碼盤按圖3所示構(gòu)成轉(zhuǎn)速傳感器。碼盤圓周被等分（例如50或60等分），形成等寬的透光和遮光的相間條碼。將碼盤與被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同軸安裝，碼盤邊緣插在光電對(duì)管的中縫處。當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤邊緣的條碼交替地透光和遮光，光電對(duì)管就會(huì)輸出一連串電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)的頻率與碼盤的轉(zhuǎn)速成正比。

測(cè)量過(guò)程如圖4所示。當(dāng)物體作轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度也可用類似的方法測(cè)量。

1.5 單元電路設(shè)計(jì)

（1） 電源模塊。電源采用2節(jié)1.5 V電源供電，3 V電源經(jīng)TCM680電源轉(zhuǎn)換和7805穩(wěn)壓，輸出±5 V電源，如圖5所示。

（2） 風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)輸出脈沖電路。風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪軸上接有一光擋板，擋板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使光電對(duì)管輸出連續(xù)的脈沖（脈沖寬度依據(jù)轉(zhuǎn)速而定），波形經(jīng)9013放大后輸出。如圖6所示。

（3） 主電路圖（89C2051單片機(jī)控制）如圖7所示。

2 軟件設(shè)計(jì)思路描述

針對(duì)當(dāng)前風(fēng)速采集檢測(cè)設(shè)備普遍體積大、質(zhì)量大、數(shù)據(jù)需要有線傳輸而非常不便攜的現(xiàn)象，選用AT89C2051單片機(jī)設(shè)計(jì)了集數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸于一體的便攜式風(fēng)速采集系統(tǒng)，同時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，使該系統(tǒng)具有了電源獨(dú)立供電、手持獨(dú)立操作、數(shù)據(jù)傳輸方便的特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)應(yīng)用中風(fēng)速采集檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x主要由風(fēng)向風(fēng)速傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成。風(fēng)向風(fēng)速傳感器是將風(fēng)向風(fēng)速這兩個(gè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集器將風(fēng)向風(fēng)速輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算、存儲(chǔ)、輸出。因轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速， 即碼盤產(chǎn)生的脈沖頻率正比于風(fēng)速， 于是在三極管9013輸出端腳上得到了一連串表征風(fēng)速的脈沖群，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)與風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件，并采用LCD顯示實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式為：

[t=1kp]

式中：l表示風(fēng)碗旋轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)；k表示風(fēng)碗旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)；P顯示分辨率。

3 仿真與調(diào)試的電路圖和說(shuō)明

圖8是假設(shè)室外溫度為27.4 ℃時(shí)，波形為1 kHz時(shí)的仿真圖。

4 結(jié) 論

在進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，采用智能處理芯片——單片機(jī)，可有效提高測(cè)量的精度，并且可以自由設(shè)置采樣時(shí)間，具有很好的時(shí)效性。本文介紹的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高、低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，同時(shí)亦可以測(cè)量環(huán)境溫度，精確度高，實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐明，朱慶春.風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].氣象水文海洋儀器，2008（4）：5?10.

[2] 宋潔茹，王軍成.一種小型無(wú)線風(fēng)速儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（8）：92?93.

[3] 陳梅，洪飛，李鑫，等.風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用與研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008（4）：39?42.

[4] 李安迎，鄧靖靖，鄧世建，等.基于三杯式風(fēng)速傳感器的風(fēng)速監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2010（z2）：121?124.

[5] 秦香麗，祖靜，裴東興，等.基于MSP430單片機(jī)的熱線式風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（8）：116?117.

[6] 王曉棟.一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)用風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)校外教育，2008（4）：57.

1.4.2 光電傳感器

光電傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電耦合器件，它廣泛應(yīng)用與測(cè)量及自動(dòng)控制等領(lǐng)域，用以檢測(cè)可見(jiàn)光和不見(jiàn)光。光電傳感器的種類繁多，有光電二極管、光電三極管、集成光電傳感器等。實(shí)際使用時(shí)，要根據(jù)具體情況選擇合適的光電傳感器。這里介紹一種由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電對(duì)管，見(jiàn)圖2。

電流的作用能使硅材料發(fā)出可見(jiàn)光或紅外線。反之，光的照射能改變硅材料的導(dǎo)電性能。利用這一現(xiàn)象可以制成光電器件。把發(fā)光二極管和光電三極管組合起來(lái)，就構(gòu)成光電對(duì)管，這種器件也稱為“紅外發(fā)射—接收對(duì)管”或“光電開(kāi)關(guān)”。如果光路暢通，三極管輸出電平Uo為低電平；如果光路被遮斷，三極管輸出電平Uo為高電平。

當(dāng)光電對(duì)管中間沒(méi)有擋板時(shí)，發(fā)光二極管中有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)發(fā)出紅外光，光照射光電三極管b極（基極）時(shí)，會(huì)使發(fā)光三極管的c極和e極之間導(dǎo)通，Uo輸出低電平約0.3 V。當(dāng)光電對(duì)管中間有擋板時(shí)，二極管發(fā)出的光被擋板隔離，此時(shí)沒(méi)有光照射三極管b極（基極）時(shí)，光電三極管的c極（集電極）和e極（發(fā)射極）之間不導(dǎo)通，Uo處于高電平。

本設(shè)計(jì)中光電對(duì)管與碼盤按圖3所示構(gòu)成轉(zhuǎn)速傳感器。碼盤圓周被等分（例如50或60等分），形成等寬的透光和遮光的相間條碼。將碼盤與被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同軸安裝，碼盤邊緣插在光電對(duì)管的中縫處。當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤邊緣的條碼交替地透光和遮光，光電對(duì)管就會(huì)輸出一連串電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)的頻率與碼盤的轉(zhuǎn)速成正比。

測(cè)量過(guò)程如圖4所示。當(dāng)物體作轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度也可用類似的方法測(cè)量。

1.5 單元電路設(shè)計(jì)

（1） 電源模塊。電源采用2節(jié)1.5 V電源供電，3 V電源經(jīng)TCM680電源轉(zhuǎn)換和7805穩(wěn)壓，輸出±5 V電源，如圖5所示。

（2） 風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)輸出脈沖電路。風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪軸上接有一光擋板，擋板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使光電對(duì)管輸出連續(xù)的脈沖（脈沖寬度依據(jù)轉(zhuǎn)速而定），波形經(jīng)9013放大后輸出。如圖6所示。

（3） 主電路圖（89C2051單片機(jī)控制）如圖7所示。

2 軟件設(shè)計(jì)思路描述

針對(duì)當(dāng)前風(fēng)速采集檢測(cè)設(shè)備普遍體積大、質(zhì)量大、數(shù)據(jù)需要有線傳輸而非常不便攜的現(xiàn)象，選用AT89C2051單片機(jī)設(shè)計(jì)了集數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸于一體的便攜式風(fēng)速采集系統(tǒng)，同時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，使該系統(tǒng)具有了電源獨(dú)立供電、手持獨(dú)立操作、數(shù)據(jù)傳輸方便的特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)應(yīng)用中風(fēng)速采集檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x主要由風(fēng)向風(fēng)速傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成。風(fēng)向風(fēng)速傳感器是將風(fēng)向風(fēng)速這兩個(gè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集器將風(fēng)向風(fēng)速輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算、存儲(chǔ)、輸出。因轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速， 即碼盤產(chǎn)生的脈沖頻率正比于風(fēng)速， 于是在三極管9013輸出端腳上得到了一連串表征風(fēng)速的脈沖群，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)與風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件，并采用LCD顯示實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式為：

[t=1kp]

式中：l表示風(fēng)碗旋轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)；k表示風(fēng)碗旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)；P顯示分辨率。

3 仿真與調(diào)試的電路圖和說(shuō)明

圖8是假設(shè)室外溫度為27.4 ℃時(shí)，波形為1 kHz時(shí)的仿真圖。

4 結(jié) 論

在進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，采用智能處理芯片——單片機(jī)，可有效提高測(cè)量的精度，并且可以自由設(shè)置采樣時(shí)間，具有很好的時(shí)效性。本文介紹的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高、低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，同時(shí)亦可以測(cè)量環(huán)境溫度，精確度高，實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。

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