機(jī)電外文文獻(xiàn)翻譯--采用Atmel 89S51微控制器的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)【中文4420字】【PDF+中文WORD】,中文4420字,PDF+中文WORD,機(jī)電外文文獻(xiàn)翻譯,采用Atmel,89S51微控制器的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)【中文4420字】【PDF+中文WORD】,機(jī)電,外文,文獻(xiàn),翻譯,采用,Atmel,89 【中文4420字】 采用Atmel 89S51微控制器的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng) Eunice Sophia K T 物理系 Sri Krishnadevaraya大學(xué)，Anantapuramu -515003，A.P.，印度 電子郵件：eunice.sophia@gmail.com Raghavendra Rao Kanchi SK大學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院物理系主任，VLSI與嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教授， Anantapuramu - 515003，A.P.印度 電子郵件：kanchiraghavendrarao@gmail.com 摘要 - 本文介紹了圍繞8051系列微控制器之一構(gòu)建的簡(jiǎn)單儀器設(shè)計(jì)，用于測(cè)量瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向。 這個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)改進(jìn)，但價(jià)廉的杯式風(fēng)速計(jì)：戴維斯儀器6410感測(cè)上述兩個(gè)風(fēng)的參數(shù)。 處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性在系統(tǒng)與風(fēng)傳感器接口之前被估計(jì)。 該軟件采用C語(yǔ)言開發(fā)，數(shù)據(jù)每三秒鐘在16x2液晶顯示屏上顯示。 然后將收集的數(shù)據(jù)繪制成圓形直方圖進(jìn)行分析。 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由于其有效測(cè)量的原因而具有進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的潛力，這與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)相關(guān)。 關(guān)鍵詞-AT89S51;風(fēng)速計(jì);LCD; 指南針點(diǎn); 摩擦系數(shù); 1、簡(jiǎn)介 即使技術(shù)日新月異，器件變得更加智能化，8051微控制器及其衍生產(chǎn)品仍然有望在各種應(yīng)用領(lǐng)域找到應(yīng)用。 目前的工作是關(guān)于測(cè)量?jī)蓚€(gè)主要的氣象變量[1]，即在氣象學(xué)，風(fēng)資源評(píng)估研究，空中和水上航行，采礦和農(nóng)業(yè)等許多應(yīng)用中重要的風(fēng)速和風(fēng)向。 根據(jù)2011年3月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，印度僅安裝了29％的風(fēng)力發(fā)電總潛力，其中32％單獨(dú)用于技術(shù)上[2]。 由于政府的目標(biāo)是到2022年將風(fēng)力發(fā)電量提高到60GW，顯然印度更加專注于利用可再生能源發(fā)電用于清潔能源技術(shù)。 因此，該研究提出了可能提供潛在風(fēng)資源評(píng)估的設(shè)計(jì)。 風(fēng)一般是通過(guò)其標(biāo)量組件進(jìn)行測(cè)量和分析的; 與風(fēng)向標(biāo)或風(fēng)向標(biāo)的風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向的風(fēng)速。 對(duì)流層空氣循環(huán)系統(tǒng)的年度性質(zhì)，同時(shí)影響著一個(gè)地點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向[3]。 由于其線性和準(zhǔn)確性，通常使用杯型和螺旋槳型旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。 雖然所采取的測(cè)量通常是平均風(fēng)資料，但瞬時(shí)風(fēng)測(cè)量也很重要。 瞬時(shí)風(fēng)速和方向數(shù)據(jù)有助于分析渦輪機(jī)和塔架的建造，而平均風(fēng)速數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電[4]。 由于功率與風(fēng)速的立方功率成正比，因此風(fēng)速測(cè)量的微小差異會(huì)大大影響發(fā)電量[5]。 所以準(zhǔn)確的風(fēng)速測(cè)量有助于計(jì)算安裝風(fēng)力渦輪機(jī)的良好可行性研究。 在用于將旋轉(zhuǎn)速率轉(zhuǎn)換為用于記錄風(fēng)速的適當(dāng)電信號(hào)的不同機(jī)制[1]中，其中四種常用于使用直流發(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)，電接觸器和中斷光束的換能器。 2、文獻(xiàn)調(diào)查 以前與風(fēng)速計(jì)和葉片接口進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量的工作考慮如下： Ivan Simeonov等[6]開發(fā)了一種短期天氣預(yù)報(bào)嵌入式系統(tǒng)，其中風(fēng)速傳感器給出方波脈沖，每升高1公里就需要修正風(fēng)速讀數(shù)。 Michael Cosgrove等人[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)超低成本的測(cè)風(fēng)儀，用于風(fēng)力發(fā)電的可行性調(diào)查。 在這種情況下，雖然磁簧開關(guān)在杯子的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)單一開關(guān)閉合的脈沖，但是開發(fā)了去抖動(dòng)的算法。 Haci Can和Vedat M. Karsh [8]從事數(shù)據(jù)記錄器的開發(fā)工作，使用基于8051的微控制器來(lái)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，也看到了對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的需求。 Yahya S.H. Khraisat [9]在開發(fā)低成本的自動(dòng)化系統(tǒng)的工作中，不斷測(cè)量直流發(fā)電機(jī)類型的端口電壓的天氣參數(shù)，在與微控制器接口之前，需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。 Fouad Sh. Tahir等人[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于個(gè)人電腦的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)測(cè)量溫度，風(fēng)速和方向參數(shù)。即使當(dāng)風(fēng)速傳感器為杯子的一次旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)閉合周期時(shí)，在用于計(jì)算風(fēng)速輸出的電路中增加了DAC。 David Wekesa等[11]利用Atmel Atmega 32微控制器開發(fā)了一種自動(dòng)化，低成本的風(fēng)速和方向數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于光電子的系統(tǒng)，可提供更高的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，即6至44 [12]。 Mehedi Al Emram等[13]也開發(fā)了基于光電子學(xué)的風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于風(fēng)速計(jì)的風(fēng)杯的單次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多于一個(gè)的脈沖需要信號(hào)調(diào)節(jié)電路。 從上述考慮的工作中，產(chǎn)生正弦波的換能器需要額外的信號(hào)調(diào)節(jié)電路或具有去跳動(dòng)電路的方波。 但是這個(gè)系統(tǒng)不需要信號(hào)調(diào)節(jié)，即使沒(méi)有任何去跳動(dòng)電路或去跳動(dòng)算法或者使用DAC，傳感器也很容易連接。通過(guò)使用摩擦系數(shù)從較低的高度推斷風(fēng)速的值來(lái)進(jìn)行高度的修正。 3、硬件 A. 硬件描述 硬件主要由AT89S51單片機(jī)，風(fēng)速傳感器或風(fēng)速計(jì)和LCD組成。 AT89S51是一款高性能的低成本微控制器。 它是一個(gè)具有4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程閃存的8位微控制器。片上閃存使程序存儲(chǔ)器可以在系統(tǒng)內(nèi)或通過(guò)傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器編程器重新編程。AT89S51的其他顯著特點(diǎn)是：128字節(jié)的RAM，32條I / O線和2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器[14]。 所使用的風(fēng)速計(jì)[15]具有對(duì)稱地保持在豎直軸上的3個(gè)半球形杯。這種機(jī)械式風(fēng)速計(jì)的設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中施加均勻的扭矩。 它是一種電氣接觸式的無(wú)源傳感器，可以計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的吹氣量。 當(dāng)磁簧開關(guān)接觸到磁鐵的影響時(shí)，設(shè)備不通電但發(fā)出脈沖。 簧片開關(guān)的安裝使得每次旋轉(zhuǎn)杯子時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一次閉合。 傳感器包括密封軸承，使用壽命長(zhǎng)，能夠抵御颶風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)，雖然對(duì)起動(dòng)閾值低的微風(fēng)敏感。 傳感器的規(guī)格說(shuō)明范圍和精度在風(fēng)洞試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。 杯子的材料重量輕，多功能和生態(tài)高效，其運(yùn)行范圍從小于1英里/小時(shí)到200英里/小時(shí)（英里）。杯子的旋轉(zhuǎn)速度與吹風(fēng)成正比。 與風(fēng)速計(jì)相連的風(fēng)向標(biāo)是靈活的，響應(yīng)速度快，指向風(fēng)向。 葉片裝有一個(gè)20k電位器。 在葉片的方向相應(yīng)的電壓被識(shí)別并且方向被相應(yīng)地顯示在LCD上。 雨刮器到終端的阻力與方位角完全一致。 方向與氣象風(fēng)向一致。 指向北方的葉片從0度開始，在羅盤上順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)16點(diǎn)。 表一.羅盤指示 指南針指向 等級(jí) N 348.75 – 11.25 NNE 11.25 – 33.75 NE 33.75 – 56.25 ENE 56.25 – 78.75 E 78.75 – 101.25 ESE 101.25 – 123.75 SE 123.75 – 146.25 SSE 146.25 – 168.75 S 168.75 – 191.25 SSW 191.25 – 213.75 SW 213.75 – 236.25 WSW 236.25 – 258.75 W 258.75 – 281.25 WNW 281.25 – 303.75 NW 303.75 – 326.25 NNW 326.25 – 348.75 B. 硬件設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)采用傳感器單元，隨后是處理單元和顯示單元。 圖1.系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 處理單元由一個(gè)ADC和AT89S51單片機(jī)以及5V電源電路組成。 顯示單元有一個(gè)LCD，每3秒更新一次風(fēng)速和風(fēng)向信息。 通過(guò)使用來(lái)自函數(shù)發(fā)生器的與風(fēng)傳感器（即TTL兼容的方波）相似的輸出來(lái)估算所設(shè)計(jì)的硬件的風(fēng)速計(jì)算精度。 結(jié)果顯示在下表中。 表二. 頻率輸入與顯示輸出的比較 給定的頻率 (Hz) 計(jì)算值為2.25秒 LCD讀取2.25 秒 3 6.75 7 5 11.25 11 10 22.5 23 20 45 45 30 67.5 67 40 90 89 65 146.25 145 78 175.5 174 85 191.25 190 98 220.5 219 100 225 224 106 238.5 237 上面比較的結(jié)果表明處理單元的輸出與給定的頻率很好地相關(guān)。 傳感器發(fā)出的速度脈沖直接與微控制器連接，無(wú)需信號(hào)調(diào)節(jié)。 電路中使用的上拉電阻可確保單片機(jī)檢測(cè)到的信號(hào)始終為高電平，除非傳感器將其拉低。 該機(jī)制包括在2.25秒的采樣周期內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，這與風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量的推薦采樣平均次數(shù)1-5秒相一致[1]。 傳感器輸出的風(fēng)向通過(guò)8位單通道ADC 0804與控制器連接。 微控制器被編程為根據(jù)ADC的值發(fā)出適當(dāng)?shù)姆较颉? 功能電路圖如下： 圖2.電路框圖 電路的照片如下所示。 圖3.電路板上。 風(fēng)速計(jì)被固定在一個(gè)2英尺的桿上，放在一個(gè)3層的建筑物上，用于露天測(cè)量。 傳感器布置在空氣自由流動(dòng)的地方，但由于基礎(chǔ)設(shè)施的限制，不能滿足特定的要求，如固定在7英尺以上。 然而，在東北方向的一個(gè)不可避免的混凝土阻礙。 下圖顯示了傳感器的所有側(cè)面。 圖4.放置在露天讀數(shù)的風(fēng)速計(jì)。 4、軟件 該軟件是使用KeilμVision5集成開發(fā)環(huán)境（IDE）以C語(yǔ)言開發(fā)的[16]。通過(guò)USB供電的傳統(tǒng)8051存儲(chǔ)器編程器將軟件的十六進(jìn)制文件加載到微控制器上。 該軟件的流程圖如下： 圖5.風(fēng)速和方向測(cè)量算法 五、結(jié)果與討論 速度的風(fēng)速測(cè)量以英尺/分鐘的方向記錄，液晶顯示器上羅盤方向的縮寫。 傳感器對(duì)瞬間天氣狀況的反應(yīng)似乎是靈活和準(zhǔn)確的。 風(fēng)向指向風(fēng)向，風(fēng)向很好地適應(yīng)了風(fēng)向的任何微小變化。 杯式風(fēng)速計(jì)根據(jù)風(fēng)向移動(dòng)。 觀察是在一天中的三個(gè)半小時(shí)內(nèi)進(jìn)行的。 每2分鐘記錄的讀數(shù)平均為半個(gè)小時(shí)，并與印度斯里蘭卡克里希納德瓦拉亞大學(xué)（SKU）建立的氣溶膠和大氣研究實(shí)驗(yàn)室（AARL）實(shí)驗(yàn)室的聲速測(cè)量讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。 10米高的標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)和16米高的觀測(cè)值列表如下： 表三. 標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)速和方向的觀測(cè)值 Hr 標(biāo)準(zhǔn)WS10m（m / s） 觀測(cè)WS16m（m / s） 標(biāo)準(zhǔn)WDir 10m 觀測(cè)WDir16m（指南針點(diǎn)） 16.5 1.5267 1.69875 68.5148 (ENE) ENE 17.0 1.8173 2.01168 76.0462 (ENE) ENE 17.5 1.8193 2.06756 92.9933 (E) E 下圖顯示了使用Oriana 4軟件繪制的風(fēng)玫瑰圖： 圖6. 16:00至16:30，ENE的風(fēng)向平均值 圖7. 16:30至17:00期間ENE的風(fēng)向平均值 圖8. 17:00至17:30 E期間的風(fēng)向平均值 結(jié)果的幾點(diǎn)是： ·在16小時(shí)到16小時(shí)30分鐘的半小時(shí)內(nèi)，大部分時(shí)間的風(fēng)很大，占總數(shù)的50％，而東北偏東。 ·在16：30-17：00的時(shí)間段內(nèi)，沿東 - 東北方向觀測(cè)到更高的風(fēng)速，從東方吹來(lái)高頻風(fēng)，甚至接下來(lái)的半小時(shí)。 ·由于大部分時(shí)間偏東風(fēng)，西北側(cè)的障礙物對(duì)觀測(cè)影響很小，風(fēng)向讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)恰好一致。 ·在16米處觀測(cè)到的風(fēng)速高于預(yù)期的10米處的風(fēng)速。 ·死區(qū)誤差從0o到5o，從355o到360o。 但后期的錯(cuò)誤被編程淘汰了。 將10米高的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值外推到觀測(cè)值相關(guān)的高度16米。 為了外推，使用了Hellmann提出的冪律[17]。 方程是： v / v0 =（H / H0）α（1） 其中v是高度H處的速度，v0是高度H0處的速度（通常被稱為10米高度），α是摩爾系數(shù)或Hellmann指數(shù)或風(fēng)切變系數(shù)[18]。 這個(gè)系數(shù)是一個(gè)地點(diǎn)特定地形的函數(shù)，這個(gè)參數(shù)可以隨著一天中的小時(shí)，一年的時(shí)間以及大氣條件如空氣密度而變化。 下面的表格[17]涉及各種景觀的摩擦系數(shù)α。 表四. 不同景觀的摩擦系數(shù)表 地面類型 摩擦系數(shù)（α） 湖泊，海洋和光滑的硬地 0.10 草原（地面） 0.15 高大的作物，樹籬和灌木 0.20 森林茂密的土地 0.25 有一些樹木和灌木的小鎮(zhèn) 0.30 高層建筑物的城市地區(qū) 0.40 通過(guò)重寫（1）計(jì)算摩擦系數(shù)α α=（ln（v）-ln（v0））/（ln（H）-ln（H0））（2） 根據(jù)2016年4月1日15時(shí)至15時(shí)15分的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)資料，18米高的風(fēng)速（v）為1.4704m / s，10米高的風(fēng)速（v0）為1.39m / s。 從（2），這些值的摩擦系數(shù)是0.1。 但觀測(cè)是在同一天從16Hr到17Hr 30min，當(dāng)溫度下降，摩擦系數(shù)增加的時(shí)候進(jìn)行。 因此，接下來(lái)的兩個(gè)摩擦系數(shù)即0.15和0.20被考慮用于從10m到16m的高度推斷標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)。 結(jié)果列表如下。 表五.外推的標(biāo)準(zhǔn)值和觀測(cè)的風(fēng)速圖 S.No 時(shí)間(Hrs) WS(m/s) α=0.15 WS(m/s) α=0.20 觀察 WS (m/s) 1 16.5 1.6382 1.6771 1.69875 2 17 1.9499 1.9964 2.01168 3 17.5 1.9521 1.9986 2.06756 α等于0.15和0.20的摩擦系數(shù)的外推標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速讀數(shù)與觀測(cè)到的風(fēng)速值強(qiáng)相關(guān)。 相關(guān)系數(shù)分別為0.99091和0.99089。 從圖4可以看出，大部分時(shí)間的東風(fēng)沒(méi)有任何明顯的障礙物。此外，觀測(cè)到的風(fēng)速值稍高一些，可以用來(lái)解釋丘陵，建筑物等發(fā)生的風(fēng)速加速。風(fēng)會(huì)遇到阻塞[17]。 然而，電力管理對(duì)風(fēng)力資料的長(zhǎng)期觀測(cè)使用相對(duì)較短。 6.結(jié)論 利用AT89S51微控制器和Davis風(fēng)速儀6410開發(fā)的系統(tǒng)測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向顯示的結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，這得到了當(dāng)天同一時(shí)間SKU大氣研究實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)值的證實(shí)。所獲得的強(qiáng)相關(guān)系數(shù)表明該系統(tǒng)是可靠的。 參考 [1]美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）。 “監(jiān)管建模應(yīng)用氣象監(jiān)測(cè)指南”，2000年2月。EPA-454 / R-99-005。 [2] http://www.infraline.com/reportdetails/112/Wind-Power-Outlook-in- 印度2015.htm [3] http://green-power.com.pl/en/home/wiatr-i-jego-pomiar-w-energetyce- wiatrowej / [4] http://www.homepower.com/articles/wind-power/design- installation / understanding-wind-speed [5] http://www.wwindea.org/technology/ch01/en/1_4.html [6] I. Simeonov，H. Kilifarev，R. Llarionov，“短期天氣預(yù)報(bào)嵌入式系統(tǒng)”，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集（CompSysTech'06），2006年。 [7] M. Cosgrove，B. Rhodes，J. Scott，“風(fēng)力發(fā)電可行性調(diào)查的超低成本測(cè)井風(fēng)速儀”，研究門，2007年1月。 [8] H. Can，V. M. Karsh，“利用基于8051的微控制器進(jìn)行多點(diǎn)風(fēng)速和方向測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄”，美國(guó)科學(xué)雜志，157：2482-2488,2007。 [9] Yahya S. H. Khraisat，“在約旦設(shè)計(jì)無(wú)線氣象站”，加拿大科學(xué)和教育中心，第一卷。 2012年1月5日，1日。 [10] F. S. Tahir，A. M. Salman，J. K. Mohammed，W. K. Ahmed，“風(fēng)速，方向和溫度測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，Journal of Engineering， 18，沒(méi)有。 11，第1229-1236頁(yè)，2012年11月。 [11] D.W Wekesa，J.N. Kamau，J.N. Mutuku，“用于風(fēng)速和方向測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄儀表系統(tǒng)”，工程創(chuàng)新基礎(chǔ)研究期刊， 1（3），第53-57頁(yè)，2013年6月。 [12] S. Pindado，J. Cubas，F(xiàn). Sorribes-Palmer，“風(fēng)杯測(cè)風(fēng)儀，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的基本氣象儀器。在IDR / UPM研究所進(jìn)行研究“，Sensors， 2014年8月14日，第21428-21452頁(yè)。 [13] http://documents.mx/documents/a-microcontroller-based-system-for- determining-instantaneous-wind-speed-and.html [14] AT89S51 Datasheet.pdf。 [15]戴維斯風(fēng)速儀6410 Datasheet.pdf。 [16] http://www.keil.com/c51/pk51kit.asp F.Banuelos-Ruedas，C.A. Camacho，S. Rios-Marcuello。 “在一個(gè)地區(qū)的風(fēng)能資源評(píng)估中使用的方法”?？捎茫簑ww.intechopen.com [18] Firas A. Hadi，“診斷風(fēng)速外推的最佳方法”，國(guó)際電氣，電子和儀器工程高級(jí)研究雜志。第一卷.2015年10月