机电外文文献翻译--采用Atmel 89S51微控制器的风速风向测量系统【中文4420字】【PDF+中文WORD】

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Karsh [8]从事数据记录器的开发工作，使用基于8051的微控制器来测量风速和风向，也看到了对信号调理电路的需求。 Yahya S.H. Khraisat [9]在开发低成本的自动化系统的工作中，不断测量直流发电机类型的端口电压的天气参数，在与微控制器接口之前，需要进行信号调理。 Fouad Sh. Tahir等人[10]设计了一个基于个人电脑的数据采集系统来测量温度，风速和方向参数。即使当风速传感器为杯子的一次旋转而产生一个开关闭合周期时，在用于计算风速输出的电路中增加了DAC。 David Wekesa等[11]利用Atmel Atmega 32微控制器开发了一种自动化，低成本的风速和方向数据记录系统，该系统采用基于光电子的系统，可提供更高的每转脉冲数，即6至44 [12]。 Mehedi Al Emram等[13]也开发了基于光电子学的风速和风向测量系统。对于风速计的风杯的单次旋转产生多于一个的脉冲需要信号调节电路。 从上述考虑的工作中，产生正弦波的换能器需要额外的信号调节电路或具有去跳动电路的方波。 但是这个系统不需要信号调节，即使没有任何去跳动电路或去跳动算法或者使用DAC，传感器也很容易连接。通过使用摩擦系数从较低的高度推断风速的值来进行高度的修正。 3、硬件 A. 硬件描述 硬件主要由AT89S51单片机，风速传感器或风速计和LCD组成。 AT89S51是一款高性能的低成本微控制器。 它是一个具有4K字节在系统可编程闪存的8位微控制器。片上闪存使程序存储器可以在系统内或通过传统的非易失性存储器编程器重新编程。AT89S51的其他显着特点是：128字节的RAM，32条I / O线和2个16位定时器/计数器[14]。 所使用的风速计[15]具有对称地保持在竖直轴上的3个半球形杯。这种机械式风速计的设计在旋转过程中施加均匀的扭矩。 它是一种电气接触式的无源传感器，可以计算一段时间内的吹气量。 当磁簧开关接触到磁铁的影响时，设备不通电但发出脉冲。 簧片开关的安装使得每次旋转杯子时都会产生一次闭合。 传感器包括密封轴承，使用寿命长，能够抵御飓风的强风，虽然对起动阈值低的微风敏感。 传感器的规格说明范围和精度在风洞试验中得到验证。 杯子的材料重量轻，多功能和生态高效，其运行范围从小于1英里/小时到200英里/小时（英里）。杯子的旋转速度与吹风成正比。 与风速计相连的风向标是灵活的，响应速度快，指向风向。 叶片装有一个20k电位器。 在叶片的方向相应的电压被识别并且方向被相应地显示在LCD上。 雨刮器到终端的阻力与方位角完全一致。 方向与气象风向一致。 指向北方的叶片从0度开始，在罗盘上顺时针方向移动16点。 表一.罗盘指示 指南针指向 等级 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. 硬件设计 该设计采用传感器单元，随后是处理单元和显示单元。 图1.系统的设计 处理单元由一个ADC和AT89S51单片机以及5V电源电路组成。 显示单元有一个LCD，每3秒更新一次风速和风向信息。 通过使用来自函数发生器的与风传感器（即TTL兼容的方波）相似的输出来估算所设计的硬件的风速计算精度。 结果显示在下表中。 表二. 频率输入与显示输出的比较 给定的频率 (Hz) 计算值为2.25秒 LCD读取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 上面比较的结果表明处理单元的输出与给定的频率很好地相关。 传感器发出的速度脉冲直接与微控制器连接，无需信号调节。 电路中使用的上拉电阻可确保单片机检测到的信号始终为高电平，除非传感器将其拉低。 该机制包括在2.25秒的采样周期内对脉冲进行计数，这与风速和风向测量的推荐采样平均次数1-5秒相一致[1]。 传感器输出的风向通过8位单通道ADC 0804与控制器连接。 微控制器被编程为根据ADC的值发出适当的方向。 功能电路图如下： 图2.电路框图 电路的照片如下所示。 图3.电路板上。 风速计被固定在一个2英尺的杆上，放在一个3层的建筑物上，用于露天测量。 传感器布置在空气自由流动的地方，但由于基础设施的限制，不能满足特定的要求，如固定在7英尺以上。 然而，在东北方向的一个不可避免的混凝土阻碍。 下图显示了传感器的所有侧面。 图4.放置在露天读数的风速计。 4、软件 该软件是使用KeilμVision5集成开发环境（IDE）以C语言开发的[16]。通过USB供电的传统8051存储器编程器将软件的十六进制文件加载到微控制器上。 该软件的流程图如下： 图5.风速和方向测量算法 五、结果与讨论 速度的风速测量以英尺/分钟的方向记录，液晶显示器上罗盘方向的缩写。 传感器对瞬间天气状况的反应似乎是灵活和准确的。 风向指向风向，风向很好地适应了风向的任何微小变化。 杯式风速计根据风向移动。 观察是在一天中的三个半小时内进行的。 每2分钟记录的读数平均为半个小时，并与印度斯里兰卡克里希纳德瓦拉亚大学（SKU）建立的气溶胶和大气研究实验室（AARL）实验室的声速测量读数的标准值进行比较。 10米高的标准读数和16米高的观测值列表如下： 表三. 标准和风速和方向的观测值 Hr 标准WS10m（m / s） 观测WS16m（m / s） 标准WDir 10m 观测WDir16m（指南针点） 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 下图显示了使用Oriana 4软件绘制的风玫瑰图： 图6. 16:00至16:30，ENE的风向平均值 图7. 16:30至17:00期间ENE的风向平均值 图8. 17:00至17:30 E期间的风向平均值 结果的几点是： ·在16小时到16小时30分钟的半小时内，大部分时间的风很大，占总数的50％，而东北偏东。 ·在16：30-17：00的时间段内，沿东 - 东北方向观测到更高的风速，从东方吹来高频风，甚至接下来的半小时。 ·由于大部分时间偏东风，西北侧的障碍物对观测影响很小，风向读数与标准读数恰好一致。 ·在16米处观测到的风速高于预期的10米处的风速。 ·死区误差从0o到5o，从355o到360o。 但后期的错误被编程淘汰了。 将10米高的风速标准值外推到观测值相关的高度16米。 为了外推，使用了Hellmann提出的幂律[17]。 方程是： v / v0 =（H / H0）α（1） 其中v是高度H处的速度，v0是高度H0处的速度（通常被称为10米高度），α是摩尔系数或Hellmann指数或风切变系数[18]。 这个系数是一个地点特定地形的函数，这个参数可以随着一天中的小时，一年的时间以及大气条件如空气密度而变化。 下面的表格[17]涉及各种景观的摩擦系数α。 表四. 不同景观的摩擦系数表 地面类型 摩擦系数（α） 湖泊，海洋和光滑的硬地 0.10 草原（地面） 0.15 高大的作物，树篱和灌木 0.20 森林茂密的土地 0.25 有一些树木和灌木的小镇 0.30 高层建筑物的城市地区 0.40 通过重写（1）计算摩擦系数α α=（ln（v）-ln（v0））/（ln（H）-ln（H0））（2） 根据2016年4月1日15时至15时15分的标准风资料，18米高的风速（v）为1.4704m / s，10米高的风速（v0）为1.39m / s。 从（2），这些值的摩擦系数是0.1。 但观测是在同一天从16Hr到17Hr 30min，当温度下降，摩擦系数增加的时候进行。 因此，接下来的两个摩擦系数即0.15和0.20被考虑用于从10m到16m的高度推断标准读数。 结果列表如下。 表五.外推的标准值和观测的风速图 S.No 时间(Hrs) WS(m/s) α=0.15 WS(m/s) α=0.20 观察 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的摩擦系数的外推标准风速读数与观测到的风速值强相关。 相关系数分别为0.99091和0.99089。 从图4可以看出，大部分时间的东风没有任何明显的障碍物。此外，观测到的风速值稍高一些，可以用来解释丘陵，建筑物等发生的风速加速。风会遇到阻塞[17]。 然而，电力管理对风力资料的长期观测使用相对较短。 6.结论 利用AT89S51微控制器和Davis风速仪6410开发的系统测量实时风速和风向显示的结果相当准确，这得到了当天同一时间SKU大气研究实验室的标准值的证实。所获得的强相关系数表明该系统是可靠的。 参考 [1]美国环境保护局（EPA）。 “监管建模应用气象监测指南”，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，“短期天气预报嵌入式系统”，计算机系统和技术国际会议论文集（CompSysTech'06），2006年。 [7] M. Cosgrove，B. Rhodes，J. Scott，“风力发电可行性调查的超低成本测井风速仪”，研究门，2007年1月。 [8] H. Can，V. M. Karsh，“利用基于8051的微控制器进行多点风速和方向测量和数据记录”，美国科学杂志，157：2482-2488,2007。 [9] Yahya S. H. Khraisat，“在约旦设计无线气象站”，加拿大科学和教育中心，第一卷。 2012年1月5日，1日。 [10] F. S. Tahir，A. M. Salman，J. K. Mohammed，W. K. Ahmed，“风速，方向和温度测量的数据采集系统”，Journal of Engineering， 18，没有。 11，第1229-1236页，2012年11月。 [11] D.W Wekesa，J.N. Kamau，J.N. Mutuku，“用于风速和方向测量的校准数据记录仪表系统”，工程创新基础研究期刊， 1（3），第53-57页，2013年6月。 [12] S. Pindado，J. Cubas，F. Sorribes-Palmer，“风杯测风仪，风能产业的基本气象仪器。在IDR / UPM研究所进行研究“，Sensors， 2014年8月14日，第21428-21452页。 [13] http://documents.mx/documents/a-microcontroller-based-system-for- determining-instantaneous-wind-speed-and.html [14] AT89S51 Datasheet.pdf。 [15]戴维斯风速仪6410 Datasheet.pdf。 [16] http://www.keil.com/c51/pk51kit.asp F.Banuelos-Ruedas，C.A. Camacho，S. Rios-Marcuello。 “在一个地区的风能资源评估中使用的方法”。可用：www.intechopen.com [18] Firas A. 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