数显风速测量仪设计

韦国桐

中铁科工集团轨道交通装备有限公司 湖北武汉 430200

摘 要：该设计在介绍STC12C5410AD高速单片机的性能和特点基础上，通过电路原理图和走线图综合分析本次风速仪的实现原理。其中硬件电路由电源模块、 风叶转动输出脉冲电路、 STC12C5410AD单片机控制电路组成；软件部分由Keil来编写。

关键词：STC12C5410AD、Keil、Altium Designer

1 硬件电路设计

1.1 性能要求

本风速仪检测风速精度为0.1m/s， 采样周期为1 s。

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。由于转速和风速是成线性的关系，即一定可以得出:

y = f(x) y:风速 x:转速

根据现有风杯的轴距可以得到最终转换公式为：

y = 0.1 + 0.0875x y:风速 x:频率

此公式在软件中实现，然后在通过单片机引脚将结果输出到发光二极管中,风速等级可以通过资料的对应关系得到。

1.3 电路方框图

总体电路方框图如图1所示。

传 感 器

控 制 器

显 示

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）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。

（3）显示： 转速显示器件,本列采用发光二极管。

1.4 设计中所用主要元器件介绍

1.4.1 STC12C5410AD高速单片机

当今生产单片机的厂商很多， 产品多样， 性能各异。在此最终选用了宏晶公司的STC12C5410AD单片机。该单片机性能主要如下：

●高速：1个时钟/机器周期，增强型8051 内核，速度比普通8051 快8 ～12 倍

●宽电压：5.5 ～3.5V ，2.2 ～3.8V （STC12LE5410AD 系列）

●16K/12K/10K/8K/6K/4K/2K 字节片内Flash 程序存储器，擦写数10 万次以上

●ISP / IAP ，在系统可编程/ 在应用可编程, 无需编程器/ 仿真器

●10 位ADC ，8 通道,STC12C2052AD 系列为8 位ADC 。4 路PWM 还可当4 路 D/A 使用

●4通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU ），STC12C2052AD 系列为2通道--- 也 可用来再实现4个定时器或4个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）

●6 个16位定时器，兼容普通8051 的定时器T0/T1,4 路PCA 也是4 个定时器

选择理由如下：

●高速

●抗干扰能力出色

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，电流的作用能使硅材料发出可见光或红外线, 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。

1.4.3电源适配器

电源采用5V电源适配器供电，220v 50Hz的交流电经过电源适配器转换为输出为5V的直流电。

1.4.4 其他

74HC595D:串行输入，并行输出。接受需要显示的数字信号的串行码，将其并行输出到发光二极管中显示。

S8085:PNP三极管，通过单片机输出信号，控制LED小灯、喇叭、继电器的工作。

9013:NPN三极管，通过单片机输出信号，给数码管供电。

继电器:通过控制信号，对电气回路进行通断控制。

P521光耦:防止信号干扰。

2 设计工具概述

2.1 keil

单片机程序编写软件，可以编写C程序和ASM汇编程序，本例程序编程采用C语言编写,编写完成有编译生成HEX文件，下载到单片机中。

2.2 Altium Designer

绘图软件，用于绘制风速仪原理图和布线图。

3 应用

可用于风能、气象、工业、农业、水文水利、环保、高速公路、机场和港口等。全国约75%左右的风机装机容量在“三北”地区，这些地区冬季温度较低，在风机设计中，一般当温度过低时，风机将自动停机。当环境温度低于-20度风速超过额定风速以后，风机在正常运行中会发生无规律的、不可预测的叶片瞬间振动，往往造成机组停机，并且极易导致叶片裂纹。所以风速的测量和控制显得尤为重要。

其次，国家规定，室外起重设备都必须安装风速仪。起重设备作为特种设备，其运行的安全性必须达到相当高的标准，作为室外设备，在运行过程中受凤影响较大，如果风级较高，必须停止作业，采取一定的防风措施。风速仪正好可以起到关键作用，风速较高时首先会预警，预警灯亮，喇叭常规响停；风速过高时，控制灯亮，喇叭急促响停，促发继电器断电，使门吊停止。风速仪是室外起重设备中不可或缺的一部分。