指導(dǎo)教師  呂承啟

年   月  日

風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

摘要:風(fēng)速風(fēng)向采集儀主要應(yīng)用在一些動(dòng)作單一，工作強(qiáng)度大或者環(huán)境比較嚴(yán)峻的場(chǎng)合，例如沙漠，軍區(qū)等。通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)達(dá)到對(duì)儀器的類人工控制，使得對(duì)區(qū)間的測(cè)量更加有效和便捷。本文結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)和光電探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)風(fēng)速風(fēng)向采集儀。通過(guò)多個(gè)傳感器模塊將風(fēng)速風(fēng)向跟核心控制器聯(lián)接在一起，定義了自己的通信協(xié)議。我們可以通過(guò)風(fēng)速傳感器對(duì)風(fēng)速進(jìn)行精確測(cè)量。也可以通過(guò)風(fēng)向傳感器對(duì)風(fēng)向進(jìn)行精確檢測(cè)。然后由核心控制器對(duì)其進(jìn)行顯示。同時(shí)考慮到工作現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了濾波部分，使得當(dāng)有異常波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)偏離正常狀態(tài)，而只有系統(tǒng)檢測(cè)到正常變化時(shí)，才允許顯示。

系統(tǒng)整體包括核心控制部分，風(fēng)速檢測(cè)部分，風(fēng)向檢測(cè)部分以及顯示部分。通過(guò)這幾大模塊的綜合作用，我們的系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)大部分的場(chǎng)景以及突發(fā)狀況。本設(shè)計(jì)成本低廉，功耗較小同時(shí)功能豐富，具有相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)踐指導(dǎo)。系統(tǒng)采用keil編譯軟件進(jìn)行代碼的編寫(xiě)，使用protues進(jìn)行軟件仿真，整體效果穩(wěn)定。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

隨著人工智能技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)的需求。雖然我們的生活條件相比以前有了很大的改善。物質(zhì)生活發(fā)生了翻天覆地的變化。人類對(duì)自己生存環(huán)境已經(jīng)具有了相當(dāng)?shù)母脑炷芰Α５�是我們�(nèi)匀簧�存在一個(gè)不方面的地球上。我們的計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)有了很大的提高，但是在一些傳統(tǒng)行業(yè)中，仍然使用較為原始的探測(cè)技術(shù)。這些測(cè)量技術(shù)在過(guò)去的生產(chǎn)生活中占有很大的比重，應(yīng)用范圍也十分廣泛。但是隨著我們對(duì)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)這些技術(shù)的依賴性已經(jīng)開(kāi)始呈現(xiàn)出一種降低趨勢(shì)。而如何將傳統(tǒng)測(cè)量理論結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)成為了當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。

風(fēng)作為一種大自然的饋贈(zèng)，可以給人類提供豐富的生產(chǎn)動(dòng)力。近年來(lái)隨著人們對(duì)環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)理念的不斷加強(qiáng)，我們已經(jīng)將能源發(fā)展的目光從石油，煤炭等化石材料轉(zhuǎn)移向了風(fēng)能，太陽(yáng)能等這些純凈的能源。由于這些能源無(wú)污染，成本低的特點(diǎn)，人類已經(jīng)研制出了一大批可以收集這些能源的設(shè)備。雖然這一趨勢(shì)是科學(xué)發(fā)展所必然的結(jié)果。但是目前來(lái)看，這些研究領(lǐng)域仍然處于初級(jí)階段。相比于傳統(tǒng)的燃煤，燃油技術(shù)，這些新興的技術(shù)仍然存在效率低的缺點(diǎn)。如何加強(qiáng)這些能源的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)成了一些工程師們著重研究的領(lǐng)域。將傳統(tǒng)理論結(jié)合計(jì)算機(jī)等技術(shù)似乎成為了一塊不錯(cuò)的敲門磚。  

雖然智能化技術(shù)在我們生活中已經(jīng)普及開(kāi)來(lái)，但是這些技術(shù)主要是一些弱智能技術(shù)，我們確實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了弱智能時(shí)代，但是對(duì)智能技術(shù)的追求我們從沒(méi)放慢過(guò)自己的腳步，各國(guó)也將發(fā)展的重頭戲放在了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上，比如物聯(lián)網(wǎng)就是我們正在大力發(fā)展的技術(shù)。我國(guó)每年對(duì)相關(guān)IT人員尤其是嵌入式開(kāi)發(fā)人員的需求也是年年供不應(yīng)求。各國(guó)之間的角力將會(huì)發(fā)生在這些領(lǐng)域之中。因此，我們自動(dòng)風(fēng)速風(fēng)向采集儀不管是在民用領(lǐng)域還是在軍事領(lǐng)域都具有相當(dāng)?shù)臐摿σ约拔磥?lái)，對(duì)我國(guó)人員安全以及科研都有十分重大的推動(dòng)作用。

1.2 研究?jī)?nèi)容

我們結(jié)合社會(huì)需求與現(xiàn)有理論，在實(shí)際可行的基礎(chǔ)上進(jìn)行了本次課題設(shè)計(jì)。在經(jīng)過(guò)充分的研究與討論之后，我們完成了對(duì)本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。代碼編寫(xiě)與實(shí)驗(yàn)仿真。在整個(gè)項(xiàng)目期間，我們先對(duì)需要用到的各個(gè)模塊進(jìn)行了充分調(diào)研與設(shè)計(jì)。在硬件電路方面，我們對(duì)轉(zhuǎn)壓模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，在protues仿真與理論切合的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了實(shí)際的電路制作。對(duì)于軟件部分，我們對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)，包括用到的中斷系統(tǒng)，輪詢部分，A/D轉(zhuǎn)換與pwm部分進(jìn)行了重點(diǎn)學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)之后，我們對(duì)軟硬件進(jìn)行了綜合。在確保原理正確的基礎(chǔ)上，我們不斷對(duì)軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)。最終，我們的設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，并有了一定的相關(guān)擴(kuò)展，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次研發(fā)。

1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

人工智能技術(shù)被視為未來(lái)科技領(lǐng)域，尤其是嵌入式行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，人工智能也逐漸被人們撥開(kāi)了迷霧，人們開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注這一領(lǐng)域的發(fā)展。從“小米之家”的興起到智能家居的廣泛應(yīng)用，我們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入了一個(gè)智能化的時(shí)代。說(shuō)到科技領(lǐng)域的發(fā)展，走在前沿的國(guó)家主要有美國(guó)，日本，韓國(guó)以及中國(guó)。領(lǐng)導(dǎo)這一發(fā)展趨勢(shì)的公司主要是美國(guó)的蘋(píng)果，谷歌，日本的索尼，韓國(guó)的三星以及中國(guó)的華為，小米等科技公司。這些國(guó)家在智能化技術(shù)領(lǐng)域有著不可忽視的作用。

基于單片機(jī)的風(fēng)速風(fēng)向采集儀屬于人工智能技術(shù)領(lǐng)域的一種。一直被各國(guó)視為發(fā)展的重頭戲，各大公司也早早地進(jìn)行了戰(zhàn)略布局。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本的機(jī)器人技術(shù)便一直領(lǐng)先于世界，無(wú)論是從娛樂(lè)家用型機(jī)器人還是工業(yè)型機(jī)器人，日本都完成了重大的戰(zhàn)略布局，每年的機(jī)器人大會(huì)也主要在日本舉行。而美國(guó)韓國(guó)則在便攜式設(shè)備領(lǐng)域領(lǐng)先于世界，無(wú)論是蘋(píng)果公司還是三星，都在科技領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。

我國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展起步也較早，早在2000年左右，我國(guó)便在物聯(lián)網(wǎng)方面有了自己的認(rèn)識(shí)，國(guó)家也大力培養(yǎng)這一方面的人才，在各大高校開(kāi)設(shè)了各類IT專業(yè)，但即使如此，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上國(guó)內(nèi)外對(duì)這一領(lǐng)域人才的需求，去年在嵌入式方面的人才空缺仍然在幾十萬(wàn)以上，相關(guān)專業(yè)人員的薪水也遙遙領(lǐng)先于其他行業(yè)。近幾年國(guó)內(nèi)比較熱門的互聯(lián)網(wǎng)之家，小米之家便是其中的典范。無(wú)論是從日常使用，還是工業(yè)級(jí)產(chǎn)業(yè)鏈，人工智能都將是未來(lái)必不可少的。而隨著我們科技高度發(fā)展的同時(shí)，各類相關(guān)產(chǎn)業(yè)也如雨后春筍幫設(shè)立起來(lái)，智能風(fēng)速風(fēng)向采集儀以其高度智能化以及便利性，成為了民用以及軍事領(lǐng)域必不可少的技術(shù)之一。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)問(wèn)題分析

我們首先考慮本系統(tǒng)架構(gòu)的問(wèn)題。在研發(fā)初期，我們對(duì)別人的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了實(shí)地研究，觀看了一些視頻，對(duì)該儀器的設(shè)計(jì)有了一些基本的理念。具體來(lái)說(shuō)，我們開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)所具有的問(wèn)題主要來(lái)源于三個(gè)方面：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，硬件電路焊接以及軟件代碼的編寫(xiě)。針對(duì)這些問(wèn)題，我們進(jìn)行了任務(wù)分配與階段性安排。首先我們對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析，認(rèn)真討論完成本系統(tǒng)需要哪些方面的知識(shí)，其次，在對(duì)風(fēng)速風(fēng)向采集有了充分的了解與認(rèn)識(shí)后，我們開(kāi)始制作該儀器的硬件框架，最后，完成上兩步的設(shè)計(jì)之后，我們開(kāi)始編寫(xiě)代碼�？傮w來(lái)說(shuō)，在我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分割之后，系統(tǒng)的制作難度有了一定的降低，但還是有一些問(wèn)題存在，比如說(shuō)模塊之間的貼合，軟硬件的聯(lián)調(diào)問(wèn)題，這在我們的文章中會(huì)有相應(yīng)講述。

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的第一個(gè)問(wèn)題是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。我們?cè)谀玫饺蝿?wù)的時(shí)候，由于對(duì)風(fēng)速風(fēng)向采集的了解不深，也沒(méi)有過(guò)相關(guān)的制作經(jīng)驗(yàn)，所以在此進(jìn)行了相當(dāng)時(shí)間的糾結(jié)。最后，還是在班級(jí)里一位參加過(guò)競(jìng)賽的同學(xué)的幫助下，解決了這個(gè)問(wèn)題。我們?cè)诮?jīng)過(guò)認(rèn)真剖析之后，將本系統(tǒng)劃分為了三個(gè)層次，自頂向下進(jìn)行安排。首先是控制層，這里涉及到人機(jī)的交互問(wèn)題，主要是控制人員與系統(tǒng)之間指令的傳輸與數(shù)據(jù)的回饋問(wèn)題。由于系統(tǒng)在遇到突發(fā)狀況時(shí)，需要等待控制人員的控制指令，同時(shí)也會(huì)傳遞數(shù)據(jù)給控制人員進(jìn)行分析，所以這一部分的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)到我們系統(tǒng)將來(lái)的穩(wěn)定性。其次，信息采集層。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，需要采集一些數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的顯示。系統(tǒng)這一層次的設(shè)計(jì)關(guān)系到風(fēng)速儀各種功能的完成，對(duì)提高本設(shè)計(jì)性能有很大幫助。最后一個(gè)層次為顯示層。系統(tǒng)在完成各方面的工作后，需要對(duì)風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行顯示，所以本部分主要負(fù)責(zé)信息的傳達(dá)。系統(tǒng)層次劃分如下：

        表2.1 系統(tǒng)層次劃分

如上表所示，我們的系統(tǒng)劃分成頂層，中層以及底層等三個(gè)層次，各層次也有其相應(yīng)的功能劃分。

在完成系統(tǒng)層次劃分之后，我們需要考慮的第二個(gè)問(wèn)題是硬件電路的設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)方案在后續(xù)章節(jié)介紹，在這里我們重點(diǎn)講解開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。在硬件制作上，由于以前沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的練習(xí)，所以對(duì)電路焊接方面缺乏完善的技能。在本系統(tǒng)中，在電路制作上的困難主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)壓模塊，風(fēng)速風(fēng)向轉(zhuǎn)換模塊，電源驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊等。由于核心控制電路我們選擇已經(jīng)集成好的單片機(jī)，所以只需設(shè)計(jì)外圍電路即可，最后進(jìn)行各個(gè)模塊的集成聯(lián)調(diào)。其中，轉(zhuǎn)壓模塊所遇到的問(wèn)題在于復(fù)雜的電壓要求，單片機(jī)需要5V供電，驅(qū)動(dòng)模塊需要12V供電。所以選擇一款合適的轉(zhuǎn)壓芯片勢(shì)在必行。電源驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題主要在于選型。至于控制器件則相對(duì)簡(jiǎn)單，有現(xiàn)成的模塊供我們使用。在完成了綜合設(shè)計(jì)之后，我們對(duì)硬件的需求進(jìn)行了綜合分析，列出了我們所需的硬件模塊。所需器件如下表所示：

      表2.2 器件選型

如上表所示為我們選擇的器件類型，各個(gè)器件在淘寶均有銷售。最后一部分是我們的軟件功能分析。一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)離不開(kāi)完善的代碼輔助。在本系統(tǒng)中，由于將系統(tǒng)架構(gòu)分為了控制層，信息采集層以及顯示層，所以代碼也相應(yīng)的分為自動(dòng)控制層代碼，信息采集層代碼以及顯示層代碼。其中比較復(fù)雜的是信息采集層軟件的設(shè)計(jì)�？刂颇�塊所需的軟件主要是分析風(fēng)速風(fēng)向模塊采集的數(shù)據(jù)以及控制顯示屏的顯示，我們?cè)趨⒖枷嚓P(guān)例程之后已經(jīng)有了深入的了解。信息采集層我們主要是對(duì)風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行定時(shí)采集，得出當(dāng)前場(chǎng)景的風(fēng)速風(fēng)向的信息。而顯示層則需要我們對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。在后續(xù)章節(jié)中，我們會(huì)重點(diǎn)進(jìn)行講解

2.2 系統(tǒng)框架論證與比較

在設(shè)計(jì)前期，我們對(duì)可實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行了論證，基于風(fēng)速風(fēng)向采集儀的功能以及穩(wěn)定性，我們進(jìn)行了以下兩方面的設(shè)想。

方案一，采用相關(guān)數(shù)字電路來(lái)完成本次設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)編碼電路來(lái)完成系統(tǒng)的控制，通過(guò)核心控制電路和周邊電路的綜合作用，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方案實(shí)行難度大，效率低，周期長(zhǎng)，成本較高。

方案二，采用基于單片機(jī)的核心控制，自主設(shè)計(jì)外圍電路，包括風(fēng)速風(fēng)向采集電路，顯示電路，轉(zhuǎn)壓電路等周邊模塊。通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，控制這些外圍模塊一起工作。在此方案中，我們所需要的只是用軟件將這些傳感器建進(jìn)行通信，不管是在實(shí)現(xiàn)難度上還是在成本上都有很大程度的降低，并且對(duì)我們的編程能力也有很大的提高。

通過(guò)上述論證，我們采用了方案二來(lái)完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，整體思路是采用單片機(jī)作為我們的控制核心，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程，將周邊傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，并在自動(dòng)控制模塊的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

系統(tǒng)整體框圖如下圖2.1所示：

圖2.1 系統(tǒng)框圖

由上述系統(tǒng)框圖，我們分為了三大模塊進(jìn)行分工合作，在今后的敘述中，我們將對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行分別敘述。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源的選擇與設(shè)計(jì)

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，由于任何非電量的控制都要轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測(cè)量與控制，所以我們首先對(duì)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，需要兩種不同的電壓，主要分為單片機(jī)供電電壓（5V）與風(fēng)速風(fēng)向模塊電壓（12V），主要有以下兩種方案：

方案一，采用兩種電源供電。單片機(jī)及外圍電路采用5V供電，外部模塊采用12V供電，將兩種電壓完全隔離開(kāi)，獨(dú)立工作。此種方法的好處是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是需要增加道閘負(fù)載。

方案二，采用單一電源供電。首先使用12V電壓對(duì)外部模塊供電，再有12V電壓源引入轉(zhuǎn)壓芯片進(jìn)行5V轉(zhuǎn)壓，給單片機(jī)及外圍電路供電。此種方法設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但是可以減少系統(tǒng)的負(fù)載。

考慮到本次設(shè)計(jì)的主要目的為提高能力，增強(qiáng)自己的電路制作能力，也考慮到系統(tǒng)的靈敏性，我們選擇了第二種方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行單一供電。并且由于本次設(shè)計(jì)可能會(huì)進(jìn)行反復(fù)地測(cè)試，我們決定采購(gòu)可充電電池。

如下為電壓轉(zhuǎn)化模塊：

在上圖中，我們對(duì)12V和5V電壓進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，使得可以對(duì)風(fēng)速風(fēng)向模塊和單片機(jī)分別供電。

3.2 單片機(jī)選型與設(shè)計(jì)

3.2.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介

52單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一種。該款單片機(jī)芯片具有較低的工作電壓，而性能通常比較高，單片機(jī)內(nèi)部包含8k bytes的可以重復(fù)使用的Flash（即只讀存儲(chǔ)器）以及256 比特的隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）。該MCU基于先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)和強(qiáng)大的計(jì)算能力。對(duì)上一代單片機(jī)進(jìn)行了升級(jí)。但對(duì)傳統(tǒng)的51單片機(jī)的指令也能夠兼容。該芯片內(nèi)置了通用的8位cpu以及Flash存儲(chǔ)單元，因此該單片機(jī)的強(qiáng)大的運(yùn)算能力和控制能力可以應(yīng)用在廣泛的場(chǎng)合中。

該單片機(jī)有40個(gè)引腳。32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口。同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口。3個(gè)16位的可以通過(guò)程序編程的定時(shí)器。兩個(gè)全雙工的串行口。2個(gè)讀寫(xiě)引腳�？梢酝ㄟ^(guò)常規(guī)編程方法進(jìn)行控制。但不可以在線編程。該單片機(jī)通過(guò)將常用的MCU和Flash結(jié)合在了一起，尤其通過(guò)使用可重復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器，不僅在功耗上還是在效率上都具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性。

該單片機(jī)的基本組成框圖見(jiàn)圖3.2.1。

圖3.2.1 單片機(jī)組成框圖

3.2.2 AT89S52單片機(jī)引腳特性

AT89S52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性：

兼容MCS51指令系統(tǒng)

· 8k可反復(fù)擦寫(xiě)(>1000次）Flash ROM

· 32個(gè)雙向I/O口

· 256x8bit內(nèi)部RAM

· 3個(gè)16位可以通過(guò)編程設(shè)置的定時(shí)器。

· 時(shí)鐘頻率0-24MHz

· 2個(gè)串行中斷

· 可編程UART串行通道

· 2個(gè)外部中斷源

· 共6個(gè)中斷源

· 2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線

· 3級(jí)加密位

· 低功耗空閑和掉電模式

· 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能

                                        圖3.2.2 單片機(jī)引腳圖

部分引腳說(shuō)明：

（1）時(shí)鐘電路引腳XTAL1 和XTAL2：

XTAL2(18 腳)：可以外接晶體振蕩器�？梢詷�(gòu)成內(nèi)部系統(tǒng)的振蕩電路，振蕩器的振蕩頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)需要外部時(shí)鐘提供信號(hào)時(shí)，可以從該端口輸入所需信號(hào)。在驗(yàn)證該部分是否處于正常狀態(tài)時(shí)，可將示波器的輸入引腳連接該端口，在示波器上觀察系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

XTAL1(19 腳)：同上述18腳連接方式相同。系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器。如果使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，將該腳接地。若要使用外部時(shí)鐘，則將時(shí)鐘信號(hào)加到該引腳即可。

（2）控制信號(hào)引腳RST,ALE,PSEN 和EA：

復(fù)位引腳：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。該引腳為備用電源引腳，可以由外部電源進(jìn)行供電。在該引腳上輸入兩個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，便完成了對(duì)MCU的復(fù)位。同時(shí)RST 端口具有另外一種功能,即當(dāng)接入RST接口時(shí)，可以作為RAM 備用電源，以使系統(tǒng)在突然掉電時(shí)，在寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，在系統(tǒng)復(fù)位之后仍可以繼續(xù)運(yùn)行。

ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)端。51單片機(jī)在正常上電之后，該引腳對(duì)外輸出高電平，頻率是振蕩電驢振蕩頻率的1/6。MCU讀取外部存儲(chǔ)器。作為低8 位地址的鎖存信號(hào)。該引腳會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)。

單片在在不訪問(wèn)外部ROM時(shí)，該引腳則以內(nèi)部振蕩器1/6 的頻率固定輸出高電平信號(hào)，所以該引腳的輸出信號(hào)可以用來(lái)給外部電路提供工作時(shí)鐘。在驗(yàn)證單片機(jī)的性能時(shí)，可以示波器的輸入端外界ALE引腳，觀察示波器是否顯示對(duì)應(yīng)信號(hào)。當(dāng)輸出正常的信號(hào)時(shí)。芯片正常。

ALE 端的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，可以帶動(dòng)多個(gè)負(fù)載。

同時(shí)這個(gè)引腳可以作為單片機(jī)的地址輸入端口。進(jìn)行地址選擇時(shí)，可以在此端口進(jìn)行。

PSEN：輸出使能信號(hào)。完成對(duì)相應(yīng)功能的使能。該引腳外界存儲(chǔ)器的使能端口，后續(xù)會(huì)有相應(yīng)原理圖展示。PSEN 端有效，即允許讀出EPROM／ROM 中的指令碼。PSEN 端同樣可驅(qū)動(dòng)8 個(gè)LS 型TTL 負(fù)載。

EA/Vpp(31 腳)：該引腳是單片機(jī)的程序輸入使能引腳。該引腳外接高電平時(shí)，MCU只在內(nèi)部存儲(chǔ)其中進(jìn)行尋址，即只能執(zhí)行內(nèi)部命令。在地址選擇器的值大于內(nèi)部存儲(chǔ)器時(shí)。單片機(jī)會(huì)自動(dòng)去外部存儲(chǔ)器中讀取指令。即0x0FFF是內(nèi)外存儲(chǔ)器的區(qū)分點(diǎn)。當(dāng)給該引腳接地時(shí)，MCU將脂肪紋外部程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容，而忽略內(nèi)部存儲(chǔ)器的內(nèi)容。對(duì)于無(wú)片內(nèi)ROM 的8031 或8032,需外擴(kuò)EPROM，此時(shí)必須將EA 引腳接地。

（3）輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3：

P0口(P0.0～P0.7，39~32 腳)：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8 位準(zhǔn)雙向I/O口。該引腳的構(gòu)成方式為漏極開(kāi)路模式，一共可以對(duì)8個(gè)負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)P0用作輸入引腳時(shí)，必須先向口鎖存器(地址80H)寫(xiě)入0XFFFF,導(dǎo)致P0口引腳成為懸浮狀態(tài)，成為了高阻態(tài)。該引腳作為輸入端使用時(shí)，需要配置相應(yīng)的寄存器。即先由該引腳進(jìn)行寫(xiě)出，再進(jìn)行讀入。即具有雙向的特性。

P1口(P1.0～P1.7，1~8 腳)：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/O口。P1口每位能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)LS 型TTL 負(fù)載。當(dāng)將P1端作為輸入端使用時(shí)，同樣應(yīng)該向控制端寫(xiě)入控制信號(hào),不同于P0，此時(shí)P1端自動(dòng)進(jìn)入上拉狀態(tài)，顯示高電平。

P2口(P2.0～P2.7，21~28 腳)：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/O口。該引腳可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)負(fù)載。在訪問(wèn)片外寄存器時(shí)，它輸出高地址。

P3口(P3.0～P3.7，10~17 腳)：P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/O口。如下：

P3.0：(RXD)串行數(shù)據(jù)接收。

P3.1：(RXD)串行數(shù)據(jù)發(fā)送。

P3.2：(INT0#)外部中斷0輸入。

P3.3：(INT1#)外部中斷1輸入。

P3.4：(T0)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部計(jì)數(shù)輸入。

P3.5：(T1)定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部計(jì)數(shù)輸入。

P3.6：(WR#)對(duì)外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行使能。

P3.7：(RD#)選擇片外存儲(chǔ)器。

3.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

圖3.3 顯示模塊原理圖

3.4 風(fēng)速風(fēng)向電路設(shè)計(jì)

風(fēng)速儀用來(lái)檢測(cè)風(fēng)的速度，而風(fēng)向儀可以測(cè)量風(fēng)的方向。兩者結(jié)合起來(lái)使用可以確定環(huán)境中風(fēng)的特性。在對(duì)風(fēng)的常規(guī)測(cè)量中，經(jīng)常將這兩者結(jié)合起來(lái)使用，以達(dá)到對(duì)環(huán)境中風(fēng)的檢測(cè)。在風(fēng)速儀模塊電路中，因?yàn)樾枰獧z測(cè)風(fēng)的速度，所以通常包括一個(gè)風(fēng)杯（三杯），該風(fēng)杯在受到環(huán)境中風(fēng)的作用時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下級(jí)檢測(cè)電路運(yùn)動(dòng)，下級(jí)檢測(cè)電路根據(jù)風(fēng)杯的運(yùn)動(dòng)即可檢測(cè)到風(fēng)的速度。為了在任何角度都能檢測(cè)到風(fēng)，所以經(jīng)常采用三個(gè)風(fēng)杯來(lái)組成檢測(cè)模塊。而風(fēng)向儀用來(lái)測(cè)量環(huán)境中風(fēng)的方向，所以在檢測(cè)電路中包括一個(gè)由風(fēng)向標(biāo)組成的指示模塊。風(fēng)向儀在受到風(fēng)的作用后受力旋轉(zhuǎn)，但不同于風(fēng)速計(jì)的不斷旋轉(zhuǎn)，風(fēng)向儀會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，在平衡狀態(tài)時(shí)，風(fēng)向標(biāo)指示的即為風(fēng)當(dāng)前的方向。

風(fēng)速風(fēng)向儀在檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境中的風(fēng)速和風(fēng)向后，將采集的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，通常為求均值后，將這些信息顯示在顯示屏上，用戶即可得到當(dāng)前環(huán)境中風(fēng)的特性。通常將風(fēng)向以讀數(shù)表示，而風(fēng)速以等級(jí)或者m/s的形式展示。用戶在得到這些信息后，便可以據(jù)此安排自己的生產(chǎn)生活，提高自己的作業(yè)水平。

本系統(tǒng)采用的風(fēng)速儀是基于光電編碼器的原理工作的。光電編碼器的傳動(dòng)軸與風(fēng)杯連接在一起，在風(fēng)的吹動(dòng)下，編碼器傳動(dòng)軸跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，由此不停地產(chǎn)生出脈沖信號(hào)。外部電路檢測(cè)到脈沖信號(hào)后，根據(jù)脈沖信號(hào)產(chǎn)生的頻率，即可計(jì)算出風(fēng)的速度。

在工作時(shí)，我們將光電編碼器即風(fēng)速儀的輸出引腳連接至單片機(jī)的中斷引腳處，配置單片機(jī)為上升沿觸發(fā)中斷。則由于風(fēng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)速儀的引腳會(huì)源源不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)傳遞給單片機(jī)后，單片機(jī)進(jìn)入中斷。由于風(fēng)的速度不同，導(dǎo)致編碼器脈沖信號(hào)的頻率也不盡相同，所以單片機(jī)內(nèi)部根據(jù)這些信號(hào)的頻率，即可得到風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)速。按照動(dòng)量守恒原理，風(fēng)的速度便可以得到。

風(fēng)速儀在工作工程中，三個(gè)風(fēng)杯在風(fēng)的作用下不斷旋轉(zhuǎn)，由此得到風(fēng)的速度。而風(fēng)向儀的工作原理與此不同。由于我們需要采集環(huán)境中風(fēng)的方向，當(dāng)環(huán)境中風(fēng)的方向比較穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)向儀的風(fēng)標(biāo)不會(huì)有大幅度的波動(dòng)。

風(fēng)向儀的核心元器件同樣采用光電編碼器。但是與風(fēng)速儀不同的是，風(fēng)速儀根據(jù)光電編碼器脈沖產(chǎn)生的頻率工作，而風(fēng)向儀根據(jù)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向的不同而工作。由于編碼器在進(jìn)行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)的電平不同。在正轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器輸出高電平，而反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出低電平。由此根據(jù)編碼器輸出電平的正負(fù)，我們便可以得知風(fēng)向標(biāo)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)過(guò)的角度，經(jīng)過(guò)初始定位，便得到了風(fēng)的方向。

光電編碼器原理圖如下所示：

如上圖所示為系統(tǒng)采用的光電編碼器原理圖。傳感器通過(guò)外部轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)，產(chǎn)生不同頻率，不同電平的脈沖。單片機(jī)根據(jù)脈沖頻率得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)電平高低得到轉(zhuǎn)角。便可以精確地測(cè)量風(fēng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)向檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行風(fēng)向檢測(cè)時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)中斷來(lái)對(duì)風(fēng)向進(jìn)行檢測(cè)。將風(fēng)向儀的A相引腳接至單片機(jī)的INT0中斷引腳，而將B相接至普通輸入引腳。配置INT0為下降沿中斷，即外部引腳產(chǎn)生下降沿時(shí)觸發(fā)中斷，程序進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行處理。風(fēng)向儀在正常工作時(shí)，A相產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序后判斷B引腳的電平。若該引腳電平為低，則表示風(fēng)向標(biāo)反轉(zhuǎn)，將其計(jì)數(shù)減一。而如果該引腳為高電平，則代表風(fēng)向標(biāo)正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)值加一。

光電編碼器具有自己的轉(zhuǎn)值，即旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。本系統(tǒng)采用的風(fēng)向儀的轉(zhuǎn)數(shù)為500.即風(fēng)向標(biāo)每轉(zhuǎn)過(guò)一圈，產(chǎn)生五百個(gè)脈沖。所以風(fēng)向標(biāo)的角度為N/500*360度。在程序中設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)值N的絕對(duì)值小于500,當(dāng)大于500時(shí)，減去500。而當(dāng)小于-500時(shí)，加上500即可。

該部分的軟件流程圖如下：

                              圖4.1 風(fēng)向檢測(cè)流程圖

4.2 風(fēng)速檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)量時(shí)，我們需要采集風(fēng)速儀在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生脈沖的個(gè)數(shù)。設(shè)計(jì)定時(shí)器T0作為定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為1s，即檢測(cè)在1s內(nèi)產(chǎn)生脈沖的個(gè)數(shù)，我們即可得到風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)N1為脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，連接至中斷引腳INT1。風(fēng)速儀在進(jìn)行工作時(shí)，不斷有脈沖產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生脈沖時(shí)，我們?cè)谥袛喑绦蛑袑?duì)計(jì)數(shù)值N進(jìn)行加1操作。每當(dāng)1s的定時(shí)到達(dá)時(shí)，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由此我們得到了以脈沖個(gè)數(shù)表達(dá)的轉(zhuǎn)速。即v=N1。每秒轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)為：N1/500*360。乘以風(fēng)速儀的半徑，即為風(fēng)的速度。

風(fēng)速檢測(cè)部分流程圖如下：

圖4.2 風(fēng)速檢測(cè)流程圖

由上圖所示，我們剛開(kāi)始先初始化定時(shí)器T0，以及中斷引腳INT1。

初始化計(jì)數(shù)值N1為0.每當(dāng)有脈沖產(chǎn)生時(shí)，計(jì)數(shù)值加1。

定時(shí)器的定時(shí)周期為1s。每當(dāng)1s定時(shí)到達(dá)時(shí)，計(jì)算當(dāng)前風(fēng)速，并用顯示屏進(jìn)行顯示。

4.3 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要包括風(fēng)速檢測(cè)，風(fēng)向檢測(cè)，與數(shù)值顯示。在上文中，我們討論了風(fēng)速和風(fēng)向的檢測(cè)部分的軟件流程。

顯示部分僅僅是對(duì)各個(gè)數(shù)值進(jìn)行顯示，比較簡(jiǎn)單，故在此不再贅述。

系統(tǒng)在工作時(shí)，處于等待狀態(tài)，等待風(fēng)向儀的中斷或者風(fēng)速儀的中斷的脈沖到來(lái)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。

在完成對(duì)各部分的處理之后，驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示對(duì)應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向。

整體流程采用順序流程，原理也比較簡(jiǎn)單。整體流程圖如下所示：

         圖4.3 整體流程圖

如上所示系統(tǒng)的整體流程圖，在程序中，主程序一直等待外部脈沖的到來(lái)。在有脈沖產(chǎn)生后，系統(tǒng)判斷脈沖的來(lái)源，并轉(zhuǎn)而去執(zhí)行各自的處理程序。在完成處理后，驅(qū)動(dòng)顯示屏進(jìn)行顯示。

5 系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)

5.1 測(cè)試方法

所需儀器：測(cè)試儀器主要包括數(shù)字萬(wàn)用表，秒表，量角器，示波器，USB轉(zhuǎn)TTL設(shè)備。

所需軟件：keil編譯軟件，串口調(diào)試軟件，protues仿真軟件。

調(diào)試前準(zhǔn)備工作：

數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電壓源（5V和12V）輸出電壓是否為標(biāo)準(zhǔn)電壓，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻是否標(biāo)稱（本文用到的電阻為1k,5k,10k和100k）。示波器檢查風(fēng)速儀和風(fēng)向儀輸出波形是否準(zhǔn)確。用量角器檢測(cè)風(fēng)向儀的精準(zhǔn)度是否足夠。

測(cè)試步驟：

給各模塊上電，用數(shù)字萬(wàn)用表檢查各個(gè)模塊是否處于正常工作電壓。其中單片機(jī)，顯示屏模塊等標(biāo)準(zhǔn)電壓應(yīng)處于4~6V，檢查電壓源電壓，防止發(fā)生泄露，電壓源電壓位于12V左右，誤差不超過(guò)1V。

各模塊檢查無(wú)誤，對(duì)各模塊組裝供電。用萬(wàn)用表檢查各模塊電壓是否標(biāo)準(zhǔn)，LED指示是否正確。

打開(kāi)單片機(jī)開(kāi)關(guān)，讓系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。首先對(duì)風(fēng)速儀進(jìn)行檢測(cè)。

打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，模擬外界環(huán)境產(chǎn)生風(fēng)源，檢測(cè)風(fēng)速儀的輸出，測(cè)量10次，每次測(cè)試1分鐘。

進(jìn)而對(duì)風(fēng)向儀進(jìn)行檢測(cè)。

讓風(fēng)從不同角度吹動(dòng)風(fēng)向標(biāo)，觀察顯示屏顯示的角度是否精確。測(cè)量5次，每次30s。

5.2 測(cè)試結(jié)果與分析

表5-1 風(fēng)速儀檢測(cè)狀況（10次）

         表5-2 風(fēng)向儀檢測(cè)

誤差分析：我們進(jìn)行了兩類的系統(tǒng)測(cè)試：驗(yàn)證系統(tǒng)風(fēng)速儀狀態(tài)的正確性和風(fēng)向儀檢測(cè)精準(zhǔn)度。在速度檢測(cè)準(zhǔn)確性方面，我們可以達(dá)到百分之九十以上的準(zhǔn)確性，這是由兩方面因素決定的：代碼健壯性以及編碼器模塊的穩(wěn)定性。由于我們?cè)诖�碼中只是測(cè)試指令的數(shù)值，并沒(méi)有進(jìn)行大量的運(yùn)算，所以其精準(zhǔn)度會(huì)很高。

在風(fēng)向檢測(cè)方面，其誤差出現(xiàn)的原因主要包括：編碼器精度不夠，風(fēng)向波動(dòng)較大，以及單片機(jī)定時(shí)器的誤差。即使存在這些影響因素，我們的精準(zhǔn)度也達(dá)到了百分之九十以上，已經(jīng)足夠面對(duì)日常使用了。

參考文獻(xiàn)

[1] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：航天航空大學(xué)出版社，2002.22-33

[2] 李廣弟. 單片機(jī)基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.1-3

[3] 何希才. 新型實(shí)用電子電路400例. 電子工業(yè)出版社，2000.7-9

[4] 趙負(fù)圖. 傳感器集成電路手冊(cè). 第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.12-14

[5] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 第二版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.15-19

[6] 張毅剛，彭喜元. 新編 MCS-51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì). 第一版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.1-9

[7] 邵貝貝. 單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法， 清華大學(xué)出版社，2004.12-19

[8] 楊寧，胡學(xué)軍. 單片機(jī)與控制技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2005.44-46

[9] 趙亮，侯國(guó)銳.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例，人民郵電出版社，2003.43-48

[10] 黃開(kāi)勝，金華民，蔣狄南. 韓國(guó)智能模型車技術(shù)方案分析，2006.33-39

[11] 胡漢才. 單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2003.13-15

[12] 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.22-25

[13]《8051 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材》陳明熒編著，北京：清華大學(xué)大學(xué)社，2005.16-18

[14]《單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教程》張迎軍，貢雪梅，北京：北京大學(xué)出版社，2005.34-35

[15]《單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程》袁啟昌，王宏宇，北京：科學(xué)出版社，2006 .46-49

[16] 胡漢才. 單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2003.55-56

[17] 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.65-66

[18]黃家升. 基于IAP的單片機(jī)軟件遠(yuǎn)程升級(jí)[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2007,(03) 41-44 .

[19]楊美仙. 單片機(jī)的發(fā)展及其應(yīng)用[J]. 科技信息(學(xué)術(shù)研究), 2007,(35) 26-28.

[20]陳壽元. 單片機(jī)多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)及數(shù)據(jù)通信容錯(cuò)技術(shù)[J]. 山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006,(02) . 23-28

[21]栗欣,周東輝,孫曉苗,李立. 單片機(jī)程序遠(yuǎn)程升級(jí)的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006,(32) 33-35.

在我完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的幾個(gè)月時(shí)間里，我的指導(dǎo)老師呂承啟在學(xué)習(xí)上給予了悉心的指導(dǎo)和極大的幫助，在生活上給予了無(wú)微不至的關(guān)懷與照顧。呂承啟老師深厚的理論功底、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、科學(xué)的思維方式，務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)令我收益非淺。值此論文完成之際，向呂承啟老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝。此外，同時(shí)還要感謝同實(shí)驗(yàn)室和同班的各位同學(xué)給我的無(wú)私的幫助，是他們使我在本科階段的學(xué)習(xí)和生活充滿樂(lè)趣，受益良多，在這里向他們表示由衷的感謝。最后要特別感謝我的父母，在我多年的求學(xué)生涯中，不斷的支持和鼓勵(lì)我，承受了各種的壓力，付出了最真摯的愛(ài)。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心我的老師、同學(xué)、朋友。

最后，向評(píng)閱本文的專家、教授致敬!