機電外文文獻翻譯--采用Atmel 89S51微控制器的風速風向測量系統(tǒng)【中文4420字】【PDF+中文WORD】

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Karsh [8]從事數據記錄器的開發(fā)工作，使用基于8051的微控制器來測量風速和風向，也看到了對信號調理電路的需求。 Yahya S.H. Khraisat [9]在開發(fā)低成本的自動化系統(tǒng)的工作中，不斷測量直流發(fā)電機類型的端口電壓的天氣參數，在與微控制器接口之前，需要進行信號調理。 Fouad Sh. Tahir等人[10]設計了一個基于個人電腦的數據采集系統(tǒng)來測量溫度，風速和方向參數。即使當風速傳感器為杯子的一次旋轉而產生一個開關閉合周期時，在用于計算風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)了一種自動化，低成本的風速和方向數據記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于光電子的系統(tǒng)，可提供更高的每轉脈沖數，即6至44 [12]。 Mehedi Al Emram等[13]也開發(fā)了基于光電子學的風速和風向測量系統(tǒng)。對于風速計的風杯的單次旋轉產生多于一個的脈沖需要信號調節(jié)電路。 從上述考慮的工作中，產生正弦波的換能器需要額外的信號調節(jié)電路或具有去跳動電路的方波。 但是這個系統(tǒng)不需要信號調節(jié)，即使沒有任何去跳動電路或去跳動算法或者使用DAC，傳感器也很容易連接。通過使用摩擦系數從較低的高度推斷風速的值來進行高度的修正。 3、硬件 A. 硬件描述 硬件主要由AT89S51單片機，風速傳感器或風速計和LCD組成。 AT89S51是一款高性能的低成本微控制器。 它是一個具有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器可以在系統(tǒng)內或通過傳統(tǒng)的非易失性存儲器編程器重新編程。AT89S51的其他顯著特點是：128字節(jié)的RAM，32條I / O線和2個16位定時器/計數器[14]。 所使用的風速計[15]具有對稱地保持在豎直軸上的3個半球形杯。這種機械式風速計的設計在旋轉過程中施加均勻的扭矩。 它是一種電氣接觸式的無源傳感器，可以計算一段時間內的吹氣量。 當磁簧開關接觸到磁鐵的影響時，設備不通電但發(fā)出脈沖。 簧片開關的安裝使得每次旋轉杯子時都會產生一次閉合。 傳感器包括密封軸承，使用壽命長，能夠抵御颶風的強風，雖然對起動閾值低的微風敏感。 傳感器的規(guī)格說明范圍和精度在風洞試驗中得到驗證。 杯子的材料重量輕，多功能和生態(tài)高效，其運行范圍從小于1英里/小時到200英里/小時（英里）。杯子的旋轉速度與吹風成正比。 與風速計相連的風向標是靈活的，響應速度快，指向風向。 葉片裝有一個20k電位器。 在葉片的方向相應的電壓被識別并且方向被相應地顯示在LCD上。 雨刮器到終端的阻力與方位角完全一致。 方向與氣象風向一致。 指向北方的葉片從0度開始，在羅盤上順時針方向移動16點。 表一.羅盤指示 指南針指向 等級 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. 硬件設計 該設計采用傳感器單元，隨后是處理單元和顯示單元。 圖1.系統(tǒng)的設計 處理單元由一個ADC和AT89S51單片機以及5V電源電路組成。 顯示單元有一個LCD，每3秒更新一次風速和風向信息。 通過使用來自函數發(fā)生器的與風傳感器（即TTL兼容的方波）相似的輸出來估算所設計的硬件的風速計算精度。 結果顯示在下表中。 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 上面比較的結果表明處理單元的輸出與給定的頻率很好地相關。 傳感器發(fā)出的速度脈沖直接與微控制器連接，無需信號調節(jié)。 電路中使用的上拉電阻可確保單片機檢測到的信號始終為高電平，除非傳感器將其拉低。 該機制包括在2.25秒的采樣周期內對脈沖進行計數，這與風速和風向測量的推薦采樣平均次數1-5秒相一致[1]。 傳感器輸出的風向通過8位單通道ADC 0804與控制器連接。 微控制器被編程為根據ADC的值發(fā)出適當的方向。 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。 風速計被固定在一個2英尺的桿上，放在一個3層的建筑物上，用于露天測量。 傳感器布置在空氣自由流動的地方，但由于基礎設施的限制，不能滿足特定的要求，如固定在7英尺以上。 然而，在東北方向的一個不可避免的混凝土阻礙。 下圖顯示了傳感器的所有側面。 圖4.放置在露天讀數的風速計。 4、軟件 該軟件是使用KeilμVision5集成開發(fā)環(huán)境（IDE）以C語言開發(fā)的[16]。通過USB供電的傳統(tǒng)8051存儲器編程器將軟件的十六進制文件加載到微控制器上。 該軟件的流程圖如下： 圖5.風速和方向測量算法 五、結果與討論 速度的風速測量以英尺/分鐘的方向記錄，液晶顯示器上羅盤方向的縮寫。 傳感器對瞬間天氣狀況的反應似乎是靈活和準確的。 風向指向風向，風向很好地適應了風向的任何微小變化。 杯式風速計根據風向移動。 觀察是在一天中的三個半小時內進行的。 每2分鐘記錄的讀數平均為半個小時，并與印度斯里蘭卡克里希納德瓦拉亞大學（SKU）建立的氣溶膠和大氣研究實驗室（AARL）實驗室的聲速測量讀數的標準值進行比較。 10米高的標準讀數和16米高的觀測值列表如下： 表三. 標準和風速和方向的觀測值 Hr 標準WS10m（m / s） 觀測WS16m（m / s） 標準WDir 10m 觀測WDir16m（指南針點） 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軟件繪制的風玫瑰圖： 圖6. 16:00至16:30，ENE的風向平均值 圖7. 16:30至17:00期間ENE的風向平均值 圖8. 17:00至17:30 E期間的風向平均值 結果的幾點是： ·在16小時到16小時30分鐘的半小時內，大部分時間的風很大，占總數的50％，而東北偏東。 ·在16：30-17：00的時間段內，沿東 - 東北方向觀測到更高的風速，從東方吹來高頻風，甚至接下來的半小時。 ·由于大部分時間偏東風，西北側的障礙物對觀測影響很小，風向讀數與標準讀數恰好一致。 ·在16米處觀測到的風速高于預期的10米處的風速。 ·死區(qū)誤差從0o到5o，從355o到360o。 但后期的錯誤被編程淘汰了。 將10米高的風速標準值外推到觀測值相關的高度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是摩爾系數或Hellmann指數或風切變系數[18]。 這個系數是一個地點特定地形的函數，這個參數可以隨著一天中的小時，一年的時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α。 表四. 不同景觀的摩擦系數表 地面類型 摩擦系數（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 通過重寫（1）計算摩擦系數α α=（ln（v）-ln（v0））/（ln（H）-ln（H0））（2） 根據2016年4月1日15時至15時15分的標準風資料，18米高的風速（v）為1.4704m / s，10米高的風速（v0）為1.39m / s。 從（2），這些值的摩擦系數是0.1。 但觀測是在同一天從16Hr到17Hr 30min，當溫度下降，摩擦系數增加的時候進行。 因此，接下來的兩個摩擦系數即0.15和0.20被考慮用于從10m到16m的高度推斷標準讀數。 結果列表如下。 表五.外推的標準值和觀測的風速圖 S.No 時間(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的摩擦系數的外推標準風速讀數與觀測到的風速值強相關。 相關系數分別為0.99091和0.99089。 從圖4可以看出，大部分時間的東風沒有任何明顯的障礙物。此外，觀測到的風速值稍高一些，可以用來解釋丘陵，建筑物等發(fā)生的風速加速。風會遇到阻塞[17]。 然而，電力管理對風力資料的長期觀測使用相對較短。 6.結論 利用AT89S51微控制器和Davis風速儀6410開發(fā)的系統(tǒng)測量實時風速和風向顯示的結果相當準確，這得到了當天同一時間SKU大氣研究實驗室的標準值的證實。所獲得的強相關系數表明該系統(tǒng)是可靠的。 參考 [1]美國環(huán)境保護局（EPA）。 “監(jiān)管建模應用氣象監(jiān)測指南”，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，“短期天氣預報嵌入式系統(tǒng)”，計算機系統(tǒng)和技術國際會議論文集（CompSysTech'06），2006年。 [7] M. Cosgrove，B. Rhodes，J. Scott，“風力發(fā)電可行性調查的超低成本測井風速儀”，研究門，2007年1月。 [8] H. Can，V. M. Karsh，“利用基于8051的微控制器進行多點風速和方向測量和數據記錄”，美國科學雜志，157：2482-2488,2007。 [9] Yahya S. H. Khraisat，“在約旦設計無線氣象站”，加拿大科學和教育中心，第一卷。 2012年1月5日，1日。 [10] F. S. Tahir，A. M. Salman，J. K. Mohammed，W. K. Ahmed，“風速，方向和溫度測量的數據采集系統(tǒng)”，Journal of Engineering， 18，沒有。 11，第1229-1236頁，2012年11月。 [11] D.W Wekesa，J.N. Kamau，J.N. Mutuku，“用于風速和方向測量的校準數據記錄儀表系統(tǒng)”，工程創(chuàng)新基礎研究期刊， 1（3），第53-57頁，2013年6月。 [12] S. Pindado，J. Cubas，F. Sorribes-Palmer，“風杯測風儀，風能產業(yè)的基本氣象儀器。在IDR / UPM研究所進行研究“，Sensors， 2014年8月14日，第21428-21452頁。 [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。 “在一個地區(qū)的風能資源評估中使用的方法”?？捎茫簑ww.intechopen.com [18] Firas A. Hadi，“診斷風速外推的最佳方法”，國際電氣，電子和儀器工程高級研究雜志。第一卷.2015年10月