1、南通紡織職業技術學院畢業論文基于單片機控制的光電式風速風向測量系統的設計燕麗娜班 級 07智能電子 專 業 電子信息工程 院 系 機電工程系 指導老師 張新亮 完成時間 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 5 月 30 日引言人類社會發展的歷史與能源的開發和利用水平密切相關，每一次新型能源的開發都使人類經濟的發展產生一次飛躍。在自然界中，風是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源。隨著全球氣候變暖和能源危機，各國都在加緊對風力的開發和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，保護我們賴以生存的地球。風是農業生產的環境因子之一。風速適度對改善農田環境起著重要作用。風對農業也會產生消極作用。

2、它能傳播病原體，蔓延植物病害。高空風是粘蟲、稻飛虱、稻縱卷葉螟、飛蝗等害蟲長距離遷飛的氣象條件。大風使葉片機械擦傷、作物倒伏、樹木斷折、落花落果而影響產量。大風還造成土壤風蝕、沙丘移動，而毀壞農田。在干旱地區盲目墾荒，風將導致土地沙漠化。牧區的大風和暴風雪可吹散畜群，加重凍害。地方性風的某些特殊性質，也常造成風害。由海上吹來含鹽分較多的海潮風，高溫低溫的焚風和干熱風，都嚴重影響果樹的開花、座果和谷類作物的灌漿。防御風害，多采用培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗風品種。營造防風林，設置風障等更是有效的防風方法。所以測量風速對人類更好地研究及利用風能和改善生活生產有積極的影響。我國的風力資源極為豐富，絕

3、大多數地區的平均風速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區，風力發電是很有前途的。尤其是目前能源緊張，風力發電成為新潮發電方式的情況下，對風速風向的測量和控制尤為重要。于是，在這種背景下，本文介紹了在單片機的控制下，利用光電編碼器，采用適當的測量方法對風速風向進行測量，對于風速在09999rpm的范圍內，在單片機的控制下，采用合適的測量方法對電機轉速進行測量，同時要求風速的測量達到一定的精度，誤差不超過5%并且對風速進行顯示。對于風向在0-360°范圍內進行測量，在多圈旋轉的情況下能夠實現單圈自動歸

4、零，測量風向能夠顯示并且達到一定的精度。目錄一 緒論51.1 設計要求51.1.1 設計功能51.1.2 設計參數51.2 設計方案51.2.1 設計依據51.2.2 電路方案51.2.3 軟件設計5二 測向系統的簡介62.1 早期的測量系統62.2 現代的測量系統6三 硬件的電路分析73.1 硬件的組成73.1.1 單片機系統73.1.2 硬件系統的主電路設計93.1.3 光電編碼器的選擇113.1.4 觸發器123.1.5 光電耦合器123.1.6 顯示器件133.2 硬件系統設計143.2.1 硬件系統框圖143.2.2 風速采集概述143.2.3 風向電路設計173.2.4 顯示電路的

5、設計183.2.5 硬件所用元件列表19四 軟件系統的設計194.1 軟件設計概述194.2 風速測量模塊設計204.3 風向測量模塊設計20五 系統的調試225.1 硬件調試225.2 軟件調試22致謝24參考文獻25附錄1 硬件接線圖26附錄2 軟件程序27基于單片機控制的光電式風速風向測量系統的設計摘要：本文以AT89S52單片機為核心給出了風速風向測量系統的硬件及軟件設計方案，并且詳細介紹了光電編碼技術在風速風向測量中的應用。分別使用絕對式光電編碼器/增量式編碼器對風向/風速信號進行采集，將所得信號處理后，通過數碼管顯示。在風速測量系統中使用了M法和T法相結合，從而達到對風速的精確測量

6、。本文系統的硬件分為電源部分，風速采集部分，風向采集部分，單片機部分等；軟件部分的設計采用模塊編程，方便今后的維護和改進。關鍵字：單片機 光電編碼器 LED 測量一 緒論1.1 設計要求1.1.1 設計功能風速風向儀的功能主要是能對當前的風速風向進行測量并在顯示器件上顯示，而且測量系統要求具有一定的精度，在斷電及其他影響情況下仍能準確的工作，尤其是風向測量部分，要求具有斷電保護或者記憶功能，能夠時刻反應風向情況。1.1.2 設計參數1對于風速在09999rpm的范圍內，在單片機的控制下，采用合適的測量方法對電機轉速進行測量，同時要求風速的測量達到一定的精度，誤差不超過5%并且對風速進行顯示。2

7、對于風向在0-360°范圍內進行測量，在多圈旋轉的情況下能夠實現單圈自動歸零，測量風向能夠顯示并且達到一定的精度。1.2 設計方案1.2.1 設計依據系統設計要求在單片機的控制下完成風速風向的采樣工作，并根據不同的風速，采用M法和T法進行計算，并顯示測量的風速，根據風向的情況自動測量并顯示。1.2.2 電路方案本次設計的電路主要有風速風向采集電路，AT89S52單片機系統，顯示電路，復位電路，軟件設計包括基本采集模塊，系統模塊，顯示模塊等設計，大致設計的思路如下圖所示:圖1-1 設計思路圖1.3 軟件設計AT89S52單片機，其指令系統與MCS-51完全兼容，首先是要對AT89S52

8、進行初始化。初始化內容包括定時器、中斷系統及各個單元內容的初始化。然后進入到主程序中，開始對脈沖信號進行采樣、處理這里是程序設計的關鍵。主程序流程圖如圖1-2:圖1-2 主程序流程圖二 測向系統的簡介2.1 早期的測量系統早期的測量系統無論是結構上還是測量方法上都比較簡單，大多數情況下就是使用一些簡單的儀表，完全由人來進行轉速測量，整個系統的成本較低，但可靠性不高，實現的功能單一。2.2 現代的測量系統隨著電子技術、計算機技術、現代控制技術等技術的迅猛發展，測速系統得到了不斷的發展與完善，功能更強大?，F在，在一個測速系統中，主要采用一些光學技術、光電技術等現代技術進行轉速測量。利用這些技術而產

9、生的測速方法也多種多樣，有光電編碼器法，衍射法，自準直法，光纖法，聲光調制法，圓光柵法，光學內反射法，激光干涉法，平行干涉圖法，以及環形激光法等。這些方法中的很多方法在小角度的精密測量中已經得到了成功的應用，并得到了較高的測量精度和測量靈敏度。但是，目前采用單片機及其外圍電路，依靠光電傳感器技術，以數字脈沖式測速為發展的主流。這種方法可以實現對整個轉速范圍的高精確度測量，信號檢出、處理均采用數字技術，也便于和計算機接口，抗干擾能力強，無需調零就可工作，可靠性高、信噪比高、工作壽命長，可連續測量。表2-1是常用轉速方向測量方法的比較。類型測量方法測量范圍特點磁電式轉軸帶動磁性體旋轉產生計數電脈沖

10、，其脈沖數與轉速成比例中、高速、最高48000轉 /分機構復雜，精度高光電式利用轉動圓盤的光線使光電元件產生電脈沖中、高速、最高48000轉/分，角度任意，多圈測量沒有扭矩損失機構簡單同步閃光式用已知頻率的閃光來測出與旋轉體同步的頻率中、高速沒有扭矩損失旋轉編碼盤碼盤中反映轉軸位置的碼值轉換成電脈沖輸出低、中、高速，數字輸出，精度高電阻式通過電阻的變化把電壓變化輸出電信號，低速電壓輸出，機構簡單，精度一般三 硬件的電路分析3.1 硬件的組成本設計所使用的硬件主要有單片機，光電編碼器，觸發器，光電耦合器，LED顯示及其驅動器件。3.1.1 單片機系統ATMEL公司融入Flash存儲器技術推出的A

11、T89系列單片機。這個系列單片機的最大特點就是在片內含有FLASH存儲器，并且是以8031為核心構成的。所以，它和8051系列單片機是兼容的。本次設計采用了以AT89S52為核心的單片機系統。它將完成脈沖的讀取與傳送。AT89S52主要性能：8KB可改編程序Flash存儲器（可經受1000次的寫入/擦除）。全靜態工作：0Hz33MHz。3級加密程序存儲器。256字節內部RAM。32條可編程I/O線。3個16位定時器/計數器。8個中斷源。全雙工UART串行通道。低功耗空閑和掉電模式掉電后中斷可喚醒看門狗定時器雙數據指針掉電標識符AT89S52的功能特性描述：AT89S52是一種低功耗、高性能的C

12、MOS 8位微控制器，片內帶有一個8KB的可編程Flash存儲器，使用了ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術制造,與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。單片機AT89S52的封裝方式有雙列直插封裝(DIP)方式和方形封裝方式。對于雙列直插封裝方式，AT89S52引腳排列如圖3-1所示：圖3-1 系統時鐘和復位電路3.1.2 硬件系統的主電路設

13、計風速風向儀的主電路設計主要有（1）系統時鐘電路設計；（2）系統復位電路設計；（3）電源電路設計u 系統時鐘電路設計系統時鐘電路的設計如圖3-1所示。對于時間要求不是很高的系統，只要按圖進行設計就能使系統可靠起振，并穩定運行，但由于圖中的C1、C2電容起著系統時鐘頻率微調和穩定的作用，因此，在實際應用中一定要注意正確選擇參數，一般在530pF。u 系統復位電路設計智能系統一般有開關復位和上電復位電路。復位電路的實現通常有兩種方式：即專用監控電路和RC復位電路。前者電路實現簡單，成本低，但復位可靠性相對較低；后者成本較高，復位可靠性高，尤其是高可靠重復復位。對于復位要求高的場合，大多采用這種方式

14、。本系統采用的是RC復位電路。RC復位電路的實質是一階充放電電路，現結合圖3-1所示，說明這種復位電路的特點。系統按鍵按下時該電路提供有效的復位信號RST（高電平），同時電容被短路放電；按鍵松開時，VCC對電容充電，充電電流在電阻上，RST依然為高電平，仍然復位，充電完成后，電容相當于開路，RST為低電平，正常工作。u 電源電路的設計在整個單片機系統中，電源的設計是需要首先考慮，這決定了系統式采用是單電源方案還是多電源方案，系統的功耗有無特殊規定等。不同的電源方案決定了整個系統的方案和器件選擇。單片機的電源設計包含3個內容，一方面是如何降低電源的功耗;二是如何設計外圍電路和單片機對不同電源電壓

15、的需要，即電源分配方案的選擇；三是如何對電源進行管理和監控。本文主要介紹第二部分內容，如何降低電源功耗其實也是電源管理和監控部分的主要內容。設計電源首先要解決供電電流，估計供電電源的壽命，確定系統的電源結構。系統的總電流包括器件電流，分立元件電流和漏電流等，消耗電流I的計算公式為f(V為電壓，C為電容，f為頻率)電流的大小主要取決于系統的硬件情況，包括元件耗電，漏電等。本文的電源設計除主要考慮到系統的供電外還考慮到電源的方便性，所以本文采用的是市電供電方式，解決了電池供電的麻煩，但是市電所帶來的問題主要有電壓過高且不穩定，市電是交流電，沒辦法直接使用，所以本文設計了專用的電源電路，原理如圖3-

16、2： 圖3-2 電源設計原理圖 為了給系統提供可靠的電流，變壓器選用220V-12V-2A的變壓器，整流采用二極管全橋整流方式，將負向電流整合成正向，為了整流安全，二極管中流過的最大電流應大于流過的平均電流，二極管的反向電壓峰值應比二極管在電路中承受的最高反向電壓大一倍左右，因此可以選用2C12D二極管。濾波電路的電容器較大，所以一般采用電解電容器，其具有極性，選擇時還要考慮耐壓。穩壓電路主要靠穩壓芯片完成對電源的穩壓，為了將測量系統和傳感器的電源分開，本文采用了兩片7805芯片，輸出的電壓均能滿足系統的需要。電源電路如圖3-3：圖3-3 電源電路圖3.1.3 光電編碼器的選擇編碼器是將信號或

17、數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的

18、圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖3-4所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。圖3-4 光電編碼器原理圖按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。由于增量式編碼器的優點是結構簡單，除可以直接測量角位移，還常用于測轉軸速度

19、，所以風速測量裝置采用增量式編碼器；絕對式編碼器可以實現“斷電記憶”功能，測量唯一只和首尾位置有關系，并且可以單圈自動清零，也可以多圈測量，故本文選用絕對式編碼器測量風向。3.1.4 觸發器施密特觸發器是MOS觸發器的一種，主要應用于波形變換，將三角波、正弦波等波形變成矩形波；脈沖波整形，將不規則的波形經過施密特觸發器整形后獲得理想矩形脈沖；脈沖鑒幅，能將幅度不同的不規則的脈沖信號按觸發器預設值進行輸出。常用型號74LS18,7414,74HC14等，本文采用74HC14和74ALS04進行脈沖變化。74HC14引腳圖和內部結構圖如圖3-5,其真值表如表3.1。圖3-5 74HC14引腳圖表3

20、.1 真值表：Y=/AInput輸入output輸出AYLHHL3.1.5 光電耦合器光耦合器是一種通過輸入端發光二極管發光，控制輸出光電管導通，即利用光耦合方式傳送數字信息的特殊器件，最大特點是能將輸入和輸出兩部分隔離開來。在電子計算機與外圍設備相連的情況下，會出現感應噪聲，接地回路噪聲等問題，為了使干擾不能傳入計算機，以便提高系統的可靠性，所以使用光電耦合器將輸入信號與計算機隔開，單片機和計算機的情況一樣，都要抗干擾，并且外圍的設備可能以為某些原因發生短路等情況，為了不影響單片機的工作，保護單片機，也要將單片機與外圍設備隔開，所以本文采用6N137光電耦合器經輸入信號與單片機進行隔離。隔離

21、原理如圖3-6：圖3-6 光電耦合傳輸原理圖3.1.6 顯示器件在單片機系統中，目前應用較多的顯示器主要有LED和LCD。LED是一種通過控制半導體發光二極管來顯示文字、圖形、圖像等各種信息的顯示屏幕，在智能儀表中應用較多。則LCD為液晶顯示器，其特點是功耗極低，但亮度較小，成本較高，常在便攜式或低功耗的系統中使用。綜合考慮，本文選擇LED顯示器來實現其功能。LED數碼管是由七段發光線段組成，每條線段可以是一個或幾個發光二極管。其結構如圖3-7所示。只要使不同段的發光二極管或小數點發光，可改變所顯示的數字或字母。LED七段數碼管根據其內部LED的連接方法不同可分成共陰極和共陽極兩種接法。由于發

22、光二極管通常需要幾個或幾十個毫安培的驅動電流才能發光，因此每個顯示模塊必須用一個七位的驅動器才能正常工作。驅動電路也可以用集成電路驅動器，現在常用帶譯碼器的驅動器。此外，由于要顯示的數字為BCD碼，而七段數碼管的顯示模型為七段代碼，所以在顯示之前必須把BCD碼轉換成七段代碼。圖3-7 LED顯示器LED顯示器有數碼管和點陣單片機系統常用七段數碼管，按掃描方式分為靜態掃描和動態掃描，動態掃描實現LED輪流顯示，利用視覺暫留現象，得到顯示的靜態效果，其優點是使用硬件少，節省線路空間，本文采用動態掃描方式，選用共YA陽接法的LED，具體型號可選用SR20系列等。顯示原理見圖3-8圖3-8 顯示原理圖

23、3.2 硬件系統設計3.2.1 硬件系統框圖風速風向儀的硬件系統包括單片機系統，測風速部分，測風向部分以及顯示部分，風速風向儀的硬件系統框圖如圖3-9：圖3-9 硬件系統框圖3.2.2 風速采集概述風速采集部分采用數字式風速測量方法，風帶動主軸旋轉，轉速信號由頻率式轉速傳感器光電編碼器產生，它將轉速轉換成電脈沖信號，經過放大整形后，獲得相同頻率的方波信號，通過測量方波的頻率F或周期T，測得轉速的大小，在乘以風速測向杯的半徑大小即得風速大小。1） 測量方法介紹轉速測量方法可以主要分為3類：u 機械rpm轉速測量通過機械測量傳感器采集數據，是最古老的rpm轉速測量方法。傳感器采集到的轉速資料，還要

24、通過儀器內部的電子分析。這種測量方法仍被應用，但大多數用于20至10000rpm的低轉速測量。這種測量方法在測量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點是加載運動不連續。另外，機械轉頻閃法測量rpm轉速不可應用于細微物體，如果轉動率過高，易發生滑走情況。u 采用反射原理的電力轉速測量法（光學rpm轉速測量法）測量儀器發射出的紅外線經固定在待測目標上的反射條反射后，即攜帶上有關轉速信息。測量儀器接收反射波后，經過處理即可得到轉速。這種測量方法雖然要比機械rpm測量法先進，但是并非所有持待測目標上都可以安裝反射條。u 頻閃rpm轉速測量法按照頻閃原理，當高速閃光的頻率和目標的rpm轉速（移動）同步時，在

25、觀察者的眼中，目標是靜靜止的。同其它的測量方法如機械法或光學傳感器法直比，頻閃原理的優點顯而易見：這種方法可以用于測量小型目標或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測目標上固定反射條。例如，如用于生產過程測量時，便不需中止。測量范圍：100至20000rpm。除了測量rpm轉速外，頻閃測量法還可用于振動分析和動作監控。對于不同形式的測量方法其測量范圍如圖3-10所示：圖3-10 不同形式的測量范圍目前，在以光電編碼器構成的測速系統中，常用的數字式轉速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率周期法）。M法是在既定的檢測時間內，測量所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速

26、，比較適合于高速場合；T法是測量相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速，適合速度比較低的場合；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。2) 測量方法比較T法適合速度比較低的場合，當轉速較高時其準確性較差；而M法其性能特點正好與T法相反，比較適合于高速場合，M/T法則是前兩種方法的結合，在整個速度范圍內都有較好的準確性，但對于低速，該方法需要較長的檢測時間才能保證結果的準確性。三種方法的各項性能比較如表3.2所示：表3.2 測量方法比較方法項目M法T法M/T法單位被測速度60m1/PTg60fc/Pm260fcm1/Pm2rpm檢測時間TgTtach60/nP(60/

27、nP)(nPTg/601)s分辨率60/PTgnP/(60fcnP)n/(m21)精度e1/m1e(1/m2)(e/m1(1/m2)表3.2 中，m1、m2：檢測時間間隔內的脈沖計數值（分別對應M、T法）；T為規定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號的個數；fc為法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）；n是電機每分鐘的轉速；Ttach為圓光柵測速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。 由表3.2可知：從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應計數值m較大，當檢測時間Tg選定后（一般不應過長，以保證測量條件不變且速度快，實現測量快速性），只有被測轉速n較高或圓光柵

28、編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號個數P較多，才能使m1較大。對于P給定情況，只有n大時，m1才大?？梢奙法適于高速測量。經類似分析可知法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。從檢測時間來看，M法的檢測時間與轉速無關，T法的檢測時間隨著轉速的增加而減小，若M/T法犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。從計算方法來看，M法與T法較為簡單，而M/T法的計算較為復雜。3） 測量方案選定對于一個轉速檢測系統來說，其關鍵在于能夠使測速結果在整個轉速范圍內的準確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動態響應要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采

29、用兩種方式進行檢測：u 方式1 對應于低速段，采用T法，其原理如圖3-11所示。圖3-11 方式1原理圖Tn 采樣周期； Te 編碼器輸出脈沖的周期；M2 Tn期間所計時脈沖數假設時鐘頻率為f,編碼器每轉脈沖數為P，則對應的實際轉速n為 n=60fc/PM2u 方式2 對應于高速段采用M法，相應原理如圖3-12所示。圖3-12 方式2原理圖Tg 規定的檢測時間；M1 規定檢測時間內的脈沖數假設編碼器每轉脈沖數為P，轉速為n,風杯半徑為R則對應的實際風速V為V=60nM1/PTg 測速電路如圖3-13圖3-13 測速電路3.2.3 風向電路設計測風向采用風帶動風向標旋轉并帶動主軸，可以使用機械式

30、測量或者傳感測量，機械式測量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現在已經很少采用。傳感器測量采用各種方向傳感器進行方向測量的一種方法，按其信號輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對式光電編碼器，其輸出的信號可以是BCD碼，可以直接被單片機接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個原因，本文實物部分可能與設計有不同）。而且絕對式編碼器有一個零位參考點，風向要求單圈測量，范圍在0-360°內，所以可以用零位參考點對每圈的測量結果進行復位，輸出復位信號到單片機，即使斷電或者其他原因引起測量滯后也沒有影響，因為他的測量結果只與前后的位置有關。絕對式編碼器的精度

31、與它的位數有關，也就是他的輸出信號線的多少，精度計算公式為F=360°/2*（其中*為位數）測風向電路如圖3-14:圖3-14 測風向電路3.2.4 顯示電路的設計本次設計，采用發光二極管顯示器。七段LED有共陰極與共陽極兩種。為了在七段LED上顯示字母或數字，必須將其轉換可通過硬件譯碼或軟件來實現。本系統的輸出部分就是LED顯示驅動。驅動電路的主要作用是將從單片機傳送出來的脈沖進行功率驅動，以便于在數碼管上顯示。它由集成電路74LS47和74LS138來擔當。74LS47是BCD-7段數碼管譯碼器/驅動器，74LS47的功能用于將BCD碼轉化成數碼塊中的數字,通過它解碼，可以直接把

32、數字轉換為數碼管的顯示數字. 3.2.5 硬件所用元件列表表3.3 元器件清單名稱數量名稱數量變壓器16N137光耦1整流二極管4增量式光電編碼器10.1uf電容3100電阻122uf電容11.2K電阻24.7uf電容3NPN9013115pf電容24位LED2晶振1AT89C521絕對式光電編碼器174HC14174LS138174HC47110K電阻182K電阻91000uf電容1開關2四 軟件系統的設計4.1 軟件設計概述軟件設計是基于硬件基礎上的，首先必須對系統有充分的了解，熟悉各種所用的芯片的時序以及各管腳的具體功能，還有硬件要實現的具體功能。合理的分配單片機的硬件資源。然后給出程序

33、的流程圖，并通過他進行軟件的設計和調試。為了充分發揮單片機的智能化作用及降低成本，對于那些可用軟件完成又可用硬件完成的功能，盡量用軟件來完成。同時軟件設計要盡可能實現功能模塊化，這樣既方便于調試、鏈接，又便于移植和修改。本系統設計的軟件全部采用MCS51匯編語言編寫，使用模塊化結構，它的優點如下：(1).占用內存單元和CPU資源少。(2).程序簡單，執行速度快。(3).可以直接調用計算機的全部資源，并可利用計算機的專用特性。(4).能準確地掌握指令的執行時間，適用于實時控制系統。(5).能準確的控制延時時間。用匯編語言進行程序設計與高級語言進行程序設計的過程是相似的。即首先對問題進行分析，然后

34、確定算法，再根據算法畫出流程圖。根據流程圖編寫程序。但匯編語言設計有自己的特點，具體表現在：(1).匯編語言程序設計時，對數據的存放、寄存器和工作單元的使用等要由設計者安排。(2).匯編語言程序設計要求設計者必須對計算機的硬件結構有較為詳細的了解。特別是對各類寄存器、端口、定時器/計數器。中斷等內容更應了如指掌，以便在程序設計中熟練使用。(3).匯編語言程序設計的技巧很高，且有軟硬件結合的特點。4.2 風速測量模塊設計為了能夠在定時條件下及時進行兩種檢測方式的轉換，以減小對速度采樣的影響，我是先按照M法進行采樣和最后的速度計算處理，然后與我預先設定的轉速大小進行比較判斷，若小于或等于預先設定的

35、轉速，則認為風速較低，采用T法測量合適，程序進入顯示部分；若大于預先設定的轉速，說明風速較高，還用T法測量轉速肯定是無法保證我最后的測量精度，此時應該采用T法測量，返回重新按M法進行采樣和最后的速度計算處理，然后程序再進入顯示部分。其程序流程如圖4-1所示。圖4-1 測速采集模塊流程圖4.3 風向測量模塊設計通過采集風向數據，每100ms采集一組，20ms采集一次，共5次，完成后5次取平均值將平均值按百位，十位，個位風別送到現實緩沖單元38H,37H,36H。顯示子程序將顯示緩沖單元的內容送到相應的數碼管顯示。程序分為主程序，T0中斷服務程序和T1中斷服務程序三個部分。主程序包括程序的初始化，

36、即設置T0和TI的工作方式，裝入相應的初始值T0為20ms，T1為2ms，開放T0和T1中斷；如果完成采集任務，采集計數器R7清零為下一組數據采集做準備。計算5次平均值并送入顯示緩沖單元38H,37H,36H。T0中斷服務程序包括重新裝入20ms定時初始值，采集計數器R7加1.。T1中斷服務程序包括重新裝入4ms定時處置，根據現實計數器R0的內容將顯示緩沖單元送到相應的數碼管顯示。程序流程如圖4-2（a），4-2（b）所式： 圖4-2（a） 風向采集模塊流程圖圖4-2（b） 風向采集模塊流程圖五 系統的調試5.1 硬件調試為安全起見，首先必須進行斷電調試。確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地

37、引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復位引腳電壓是否正常。分別測量按下復位按鈕和放開復位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現在已經很少有用外部擴ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會出現程序亂跑的情況。如果系統不穩定的話，有時是因為電源濾波不好導致的。在單片機的電源引腳跟地引腳之間接上一個0.1uF的電容會有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統不穩定時，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。5.2 軟件調試結構化軟件的調試一般可以將重點放在分模塊調試上，統調是最后一環。軟件調

38、試可以采取離線調試和在線調試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統的支持。但對于經驗豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗，觀察關鍵現象。以下介紹是基于KEIL C51仿真器。調試步驟如下：1：運行MEDWIN，并選擇“模擬仿真”方式；2：新建一個項目，例如SSS；3：用文本編輯軟件，以asm為后綴名；4：將該文件通過“項目管理”“文件添加”，添加到項目文件SSS中；5：通過“項目管理”“編譯/匯編”匯編該項目；6：通過“查看”“數據區DATE”，打開片內數據區編輯窗口；7：F8單步執行程序到RET語句。如果正確，則說明程序正確

39、，否則，在單步執行程序中可及時發現何處存在問題。致謝三年的艱苦跋涉，五個月的精心準備，畢業論文終于到了劃句號的時候，心頭照例該如釋重負，但寫作過程中常常出現的輾轉反側和力不從心之感卻揮之不去。論文寫作的過程并不輕松，工作的壓力時時襲擾，知識的積累尚欠火候，于是，我只能一次次埋頭于圖書館中，一次次在深夜奮筆疾書。第一次花費如此長的時間和如此多的精力，完成一篇具有一定學術價值的論文，其中的艱辛與困難難以訴說，但曲終幕落后留下的滋味，值得我一生慢慢品嘗。畢業意味著一個人一個階段學習生涯的結束。在大學里，畢業論文是宣告這一事實的標準。從大一到現在3年的學習3年的磨練，在此刻沉淀成一篇畢業論文。通過這次

40、畢業設計，使我受到了一次用專業知識、專業技能分析和解決問題的全面系統的鍛煉。我學到了很多書本上學不到的實踐知識，尤其對電子硬件電路設計有了更深的理解，了解了設計一個產品從方案的選擇到最終產品的一系列的設計階段。在此有無數的感謝。感謝，我的父母。他們是我生命中永遠的依靠和支持，他們無微不至的關懷，是我前進的動力；他們的殷殷希望，激發我不斷前行。沒有他們就沒有我，我的點滴成就都來自他們。“不積跬步無以至千里”,這次畢業論文能夠最終順利完成，歸功于各位老師三年間的認真負責，使我能夠很好的掌握專業知識，并在畢業論文中得以體現。也正是你們長期不懈的支持和幫助才使得我的畢業論文最終順利完成。三年，謝謝你們

41、。感謝各位評委和答辯老師！ 參考文獻:1 李全利單片機原理及應用技術M.高等教育出版社,20012 方嚴軍，孫健智能儀器技術及其應用M北京化學工業出版社,20073 楊志忠，衛樺林，郭順華數字電子技術基礎M高等教育出版社，2004 4 陳梓城，方勤模擬電子技術M高等教育出版社出版社，2003 5 徐愛君，彭秀華Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與uvision2應用M 電子工業出版社，20046 黃迪明軟件技術基礎M 電子科技大學出版社，20007 朱明方程序設計實踐指導M 清華大學出版社，19978 張義和，陳敵北.Protel DXP2004電路設計指南M 人民郵電出版社，20

42、06附錄1 硬件接線圖附錄2 軟件程序1 風速處理程序： ORG 0000h SJMP 0030h ORG 0030hSTART： MOV TMOD，#15H ；初始化 MOV TH1，#0D8HMOV TL1，#0EFHMOV 43H，#0D8H ；設定Tg=50msMOV 42H，#0EFHMOV 4AH，#00H ；60000000 存入4AH到45H單元中MOV 49H，#00HMOV 48H，#03HMOV 47H，#90HMOV 46H，#87HMOV 45H，#00H主程序MAIN： JNB P1.0，$ ；有脈沖到, 開始計數 SETB TR0 SETB TR1 JNB TF1

43、，$ ；定時到 JNB P1.0，$ ；等待脈沖上升沿 CLR TR0 ；停計數，存放M及Tg值 CLR TR1 MOV 31H，TH0 ；M1值 MOV 30H，TL0 MOV 41H，TH1 ；t值 MOV 40H，TL1T00： MOV R0，#40H ；T=Tg+t 的結果存在41H，40H中 MOV R1，#42H MOV R6，#02H CLR CLOOP1： MOV A，R0 ADDC A，R1 MOV R0，A INC R0 INC R1 DJNZ R6，LOOP1M法處理程序 CLR A MOV R7，#02H MOV R0，#3FHT01： MOV R1，#60 MOV R

44、2，31H ；送M 1值到31H，30H MOV R3，30HMUL0： MOV A，R3 ；計算60×M1 MOV B，R1 MUL AB ；A-L，B-H XCH A，R1 MOV R5，B MOV B，R2 MUL AB ADD A，R5 MOV R4，A CLR A ADDC A，B MOV R5，A MOV A，R5 MOV R0，A DEC R0 MOV A，R4 MOV R0，A DEC R0 MOV A，R1 MOV R0，A DEC R0 DJNZ R7，T02 ；60×M1存入3FH，3EH，3DH，P×Tg存入3CH，3BH，3AH LJMP

45、 DDIVT02： MOV R1，50H ；P=10 MOV R2，41H MOV R3，40H LJMP MUL0DDIV： MOV R0，#01E0H ；480rpm為設定值 MOV R1，#01H MOV R2，#00H ；計算n=60×M1/PT MOV R3，3FH MOV R7，3EH MOV R6，3DH MOV R4，3BH MOV R5，3AH MOV A，R1 MOV B，#10HST0： CLR C MOV A，R6 RLC A MOV R6，A MOV A，R7 RLC A MOV R7，A MOV A，R3 RLC A MOV R3，A XCH A，R2 R

46、LC A XCH A，R2 MOV F0,C CLR C SUBB A，R5 MOV R1，A MOV A，R2 SUBB A，R4 ANL C,/F0 JC ST2 MOV R2，A MOV A，R1 MOV R3，A INC R6ST2： DJNZ B，AO POP ACC MOV R1，A MOV A，R7 MOV 39H，A ；轉速n計算結果存在39H，38H中 MOV A，R6 MOV 38H，A MOV A，R1 CJNE A，39H，LP1 ；轉速值與設定值進行比較 LJMP LP02LP1： JC LP3 MOV A，R0LP02： CJNE A，38H，LP2 LJMP SHNOWLP2： JC LP3 LJMP TF ；若小于設定值480rpm則轉到T法LP3： LJMP SHNOWT法處理程序TF： CLR A ；T法計算 MOV TH1，A MOV TL1，A MOV TH0，A MOV TL0，A JNB P1.0，$ SETB TR1 JNB P1.0，$ CLR TR1 MOV 41H，TH1 MOV 40H，TL1 ；M2值存于41H，40H中MUL2： CLR A ；計算P×M2 MOV R1，50H ；送入P值 MOV R2，41H ；M2值 MOV R3，