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)換為電量進行測量與控制，所以我們首先對電源進行設(shè)計。在本系統(tǒng)中，需要兩種不同的電壓，主要分為單片機供電電壓（5V）與風速風向模塊電壓（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，獨立工作。此種方法的好處是設(shè)計簡單，但是需要增加道閘負載。
方案二，采用單一電源供電。首先使用12V電壓對外部模塊供電，再有12V電壓源引入轉(zhuǎn)壓芯片進行5V轉(zhuǎn)壓，給單片機及外圍電路供電。此種方法設(shè)計較為復(fù)雜，但是可以減少系統(tǒng)的負載。
考慮到本次設(shè)計的主要目的為提高能力，增強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，對系統(tǒng)進行單一供電。并且由于本次設(shè)計可能會進行反復(fù)地測試，我們決定采購可充電電池。
52單片機是51系列單片機的一種。該款單片機芯片具有較低的工作電壓，而性能通常比較高，單片機內(nèi)部包含8k bytes的可以重復(fù)使用的Flash（即只讀存儲器）以及256 比特的隨機存儲器（RAM）。該MCU基于先進的存儲技術(shù)和強大的計算能力。對上一代單片機進行了升級。但對傳統(tǒng)的51單片機的指令也能夠兼容。該芯片內(nèi)置了通用的8位cpu以及Flash存儲單元，因此該單片機的強大的運算能力和控制能力可以應(yīng)用在廣泛的場合中。
該單片機有40個引腳。32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口。同時內(nèi)含2個外中斷口。3個16位的可以通過程序編程的定時器。兩個全雙工的串行口。2個讀寫引腳。可以通過常規(guī)編程方法進行控制。但不可以在線編程。該單片機通過將常用的MCU和Flash結(jié)合在了一起，尤其通過使用可重復(fù)擦寫的Flash存儲器，不僅在功耗上還是在效率上都具有相當?shù)膶嵱眯浴?/div>
該單片機的基本組成框圖見圖3.2.1。
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圖3.2.1 單片機組成框圖
3.2.2 AT89S52單片機引腳特性
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(>1000次）Flash ROM
· 32個雙向I/O口
· 256x8bit內(nèi)部RAM
· 3個16位可以通過編程設(shè)置的定時器。
· 時鐘頻率0-24MHz
· 2個串行中斷
· 可編程UART串行通道
· 2個外部中斷源
· 共6個中斷源
· 2個讀寫中斷口線
· 3級加密位
· 低功耗空閑和掉電模式
· 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能
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圖3.2.2 單片機引腳圖
部分引腳說明：
（1）時鐘電路引腳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。當需要外部時鐘提供信號時，可以從該端口輸入所需信號。在驗證該部分是否處于正常狀態(tài)時，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。
XTAL1(19 腳)：同上述18腳連接方式相同。系統(tǒng)的內(nèi)部時鐘振蕩器。如果使用內(nèi)部時鐘時，將該腳接地。若要使用外部時鐘，則將時鐘信號加到該引腳即可。
（2）控制信號引腳RST,ALE,PSEN 和EA：
復(fù)位引腳：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。該引腳為備用電源引腳，可以由外部電源進行供電。在該引腳上輸入兩個時鐘周期的高電平，便完成了對MCU的復(fù)位。同時RST 端口具有另外一種功能,即當接入RST接口時，可以作為RAM 備用電源，以使系統(tǒng)在突然掉電時，在寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)不會丟失，在系統(tǒng)復(fù)位之后仍可以繼續(xù)運行。
ALE/PROG：地址鎖存允許信號端。51單片機在正常上電之后，該引腳對外輸出高電平，頻率是振蕩電驢振蕩頻率的1/6。MCU讀取外部存儲器。作為低8 位地址的鎖存信號。該引腳會輸出相應(yīng)的信號。
單片在在不訪問外部ROM時，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，所以該引腳的輸出信號可以用來給外部電路提供工作時鐘。在驗證單片機的性能時，可以示波器的輸入端外界ALE引腳，觀察示波器是否顯示對應(yīng)信號。當輸出正常的信號時。芯片正常。
ALE 端的驅(qū)動能力較強，可以帶動多個負載。
同時這個引腳可以作為單片機的地址輸入端口。進行地址選擇時，可以在此端口進行。
PSEN：輸出使能信號。完成對相應(yīng)功能的使能。該引腳外界存儲器的使能端口，后續(xù)會有相應(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8 個LS 型TTL 負載。
EA/Vpp(31 腳)：該引腳是單片機的程序輸入使能引腳。該引腳外接高電平時，MCU只在內(nèi)部存儲其中進行尋址，即只能執(zhí)行內(nèi)部命令。在地址選擇器的值大于內(nèi)部存儲器時。單片機會自動去外部存儲器中讀取指令。即0x0FFF是內(nèi)外存儲器的區(qū)分點。當給該引腳接地時，MCU將脂肪紋外部程序存儲器的內(nèi)容，而忽略內(nèi)部存儲器的內(nèi)容。對于無片內(nèi)ROM 的8031 或8032,需外擴EPROM，此時必須將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口是一個漏極開路的8 位準雙向I/O口。該引腳的構(gòu)成方式為漏極開路模式，一共可以對8個負載進行驅(qū)動。當P0用作輸入引腳時，必須先向口鎖存器(地址80H)寫入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，需要配置相應(yīng)的寄存器。即先由該引腳進行寫出，再進行讀入。即具有雙向的特性。
P1口(P1.0～P1.7，1~8 腳)：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O口。P1口每位能驅(qū)動4 個LS 型TTL 負載。當將P1端作為輸入端使用時，同樣應(yīng)該向控制端寫入控制信號,不同于P0，此時P1端自動進入上拉狀態(tài)，顯示高電平。
P2口(P2.0～P2.7，21~28 腳)：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O口。該引腳可以同時驅(qū)動四個負載。在訪問片外寄存器時，它輸出高地址。
P3口(P3.0～P3.7，10~17 腳)：P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向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/計數(shù)器0的外部計數(shù)輸入。
P3.5：(T1)定時/計數(shù)器1的外部計數(shù)輸入。
P3.6：(WR#)對外部的數(shù)據(jù)存儲器進行使能。
P3.7：(RD#)選擇片外存儲器。
3.3 顯示模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用1602作為顯示器件，可以較為清晰地顯示我們需要的字符與數(shù)字，相比其他顯示器件，具有功耗低，成本低的特點。液晶的命令操作腳是RS、RW、EN接在單片機的P1^1、P1^2、P1^3腳。顯示屏的數(shù)據(jù)輸入端應(yīng)該分別接單片機的的P0口。在顯示特定字符時，單片機通過這些引腳對顯示內(nèi)容進行控制。具體電路圖如圖下所示：
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圖3.3 顯示模塊原理圖
3.4 風速風向電路設(shè)計
3.4.1 風速風向儀簡介風速儀用來檢測風的速度，而風向儀可以測量風的方向。兩者結(jié)合起來使用可以確定環(huán)境中風的特性。在對風的常規(guī)測量中，經(jīng)常將這兩者結(jié)合起來使用，以達到對環(huán)境中風的檢測。在風速儀模塊電路中，因為需要檢測風的速度，所以通常包括一個風杯（三杯），該風杯在受到環(huán)境中風的作用時發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動下級檢測電路運動，下級檢測電路根據(jù)風杯的運動即可檢測到風的速度。為了在任何角度都能檢測到風，所以經(jīng)常采用三個風杯來組成檢測模塊。而風向儀用來測量環(huán)境中風的方向，所以在檢測電路中包括一個由風向標組成的指示模塊。風向儀在受到風的作用后受力旋轉(zhuǎn)，但不同于風速計的不斷旋轉(zhuǎn)，風向儀會達到一個平衡狀態(tài)，在平衡狀態(tài)時，風向標指示的即為風當前的方向。
風速風向儀在檢測到當前環(huán)境中的風速和風向后，將采集的數(shù)據(jù)傳遞給單片機，單片機對這些數(shù)據(jù)進行濾波處理，通常為求均值后，將這些信息顯示在顯示屏上，用戶即可得到當前環(huán)境中風的特性。通常將風向以讀數(shù)表示，而風速以等級或者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。
3.4.2 風速儀工作原理本系統(tǒng)采用的風速儀是基于光電編碼器的原理工作的。光電編碼器的傳動軸與風杯連接在一起，在風的吹動下，編碼器傳動軸跟隨轉(zhuǎn)動，由此不停地產(chǎn)生出脈沖信號。外部電路檢測到脈沖信號后，根據(jù)脈沖信號產(chǎn)生的頻率，即可計算出風的速度。
在工作時，我們將光電編碼器即風速儀的輸出引腳連接至單片機的中斷引腳處，配置單片機為上升沿觸發(fā)中斷。則由于風的轉(zhuǎn)動，風速儀的引腳會源源不斷地產(chǎn)生脈沖信號。這些脈沖信號傳遞給單片機后，單片機進入中斷。由于風的速度不同，導(dǎo)致編碼器脈沖信號的頻率也不盡相同，所以單片機內(nèi)部根據(jù)這些信號的頻率，即可得到風速儀的轉(zhuǎn)速。按照動量守恒原理，風的速度便可以得到。
3.4.3 風向儀工作原理風速儀在工作工程中，三個風杯在風的作用下不斷旋轉(zhuǎn)，由此得到風的速度。而風向儀的工作原理與此不同。由于我們需要采集環(huán)境中風的方向，當環(huán)境中風的方向比較穩(wěn)定時，風向儀的風標不會有大幅度的波動。
風向儀的核心元器件同樣采用光電編碼器。但是與風速儀不同的是，風速儀根據(jù)光電編碼器脈沖產(chǎn)生的頻率工作，而風向儀根據(jù)編碼器轉(zhuǎn)動方向的不同而工作。由于編碼器在進行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生脈沖信號的電平不同。在正轉(zhuǎn)時，編碼器輸出高電平，而反轉(zhuǎn)時，輸出低電平。由此根據(jù)編碼器輸出電平的正負，我們便可以得知風向標正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)過的角度，經(jīng)過初始定位，便得到了風的方向。
3.4.4 光電編碼器原理圖光電編碼器原理圖如下所示：
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圖3.4.4 光電編碼器原理圖
如上圖所示為系統(tǒng)采用的光電編碼器原理圖。傳感器通過外部轉(zhuǎn)子的帶動，產(chǎn)生不同頻率，不同電平的脈沖。單片機根據(jù)脈沖頻率得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)電平高低得到轉(zhuǎn)角。便可以精確地測量風的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。
4 軟件設(shè)計
4.1 風向檢測軟件設(shè)計
在進行風向檢測時，我們設(shè)計系統(tǒng)中斷來對風向進行檢測。將風向儀的A相引腳接至單片機的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)生下降沿時觸發(fā)中斷，程序進入中斷服務(wù)函數(shù)進行處理。風向儀在正常工作時，A相產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進入中斷程序后判斷B引腳的電平。若該引腳電平為低，則表示風向標反轉(zhuǎn)，將其計數(shù)減一。而如果該引腳為高電平，則代表風向標正轉(zhuǎn)，計數(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)生的脈沖個數(shù)。本系統(tǒng)采用的風向儀的轉(zhuǎn)數(shù)為500.即風向標每轉(zhuǎn)過一圈，產(chǎn)生五百個脈沖。所以風向標的角度為N/500*360度。在程序中設(shè)計計數(shù)值N的絕對值小于500,當大于500時，減去500。而當小于-500時，加上500即可。
該部分的軟件流程圖如下：
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圖4.1 風向檢測流程圖
4.2 風速檢測軟件設(shè)計
在進行風速的測量時，我們需要采集風速儀在一定時間內(nèi)產(chǎn)生脈沖的個數(shù)。設(shè)計定時器T0作為定時器，定時時間為1s，即檢測在1s內(nèi)產(chǎn)生脈沖的個數(shù)，我們即可得到風速儀的轉(zhuǎn)速。設(shè)計N1為脈沖計數(shù)個數(shù)，連接至中斷引腳INT1。風速儀在進行工作時，不斷有脈沖產(chǎn)生。當產(chǎn)生脈沖時，我們在中斷程序中對計數(shù)值N進行加1操作。每當1s的定時到達時，對脈沖計數(shù)個數(shù)進行計算。由此我們得到了以脈沖個數(shù)表達的轉(zhuǎn)速。即v=N1。每秒轉(zhuǎn)過的度數(shù)為：N1/500*360。乘以風速儀的半徑，即為風的速度。
風速檢測部分流程圖如下：
圖4.2 風速檢測流程圖
由上圖所示，我們剛開始先初始化定時器T0，以及中斷引腳INT1。
初始化計數(shù)值N1為0.每當有脈沖產(chǎn)生時，計數(shù)值加1。
定時器的定時周期為1s。每當1s定時到達時，計算當前風速，并用顯示屏進行顯示。
4.3 主程序設(shè)計
系統(tǒng)的軟件主要包括風速檢測，風向檢測，與數(shù)值顯示。在上文中，我們討論了風速和風向的檢測部分的軟件流程。
顯示部分僅僅是對各個數(shù)值進行顯示，比較簡單，故在此不再贅述。
系統(tǒng)在工作時，處于等待狀態(tài)，等待風向儀的中斷或者風速儀的中斷的脈沖到來，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。
在完成對各部分的處理之后，驅(qū)動顯示屏顯示對應(yīng)的風速和風向。
整體流程采用順序流程，原理也比較簡單。整體流程圖如下所示：
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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。在有脈沖產(chǎn)生后，系統(tǒng)判斷脈沖的來源，并轉(zhuǎn)而去執(zhí)行各自的處理程序。在完成處理后，驅(qū)動顯示屏進行顯示。
5 系統(tǒng)測試與評價
5.1 測試方法
所需儀器：測試儀器主要包括數(shù)字萬用表，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)試前準備工作：
數(shù)字萬用表測量電壓源（5V和12V）輸出電壓是否為標準電壓，測量標準電阻是否標稱（本文用到的電阻為1k,5k,10k和100k）。示波器檢查風速儀和風向儀輸出波形是否準確。用量角器檢測風向儀的精準度是否足夠。
測試步驟：
給各模塊上電，用數(shù)字萬用表檢查各個模塊是否處于正常工作電壓。其中單片機，顯示屏模塊等標準電壓應(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1V。
各模塊檢查無誤，對各模塊組裝供電。用萬用表檢查各模塊電壓是否標準，LED指示是否正確。
打開單片機開關(guān)，讓系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。首先對風速儀進行檢測。
打開電源開關(guān)，模擬外界環(huán)境產(chǎn)生風源，檢測風速儀的輸出，測量10次，每次測試1分鐘。
進而對風向儀進行檢測。
讓風從不同角度吹動風向標，觀察顯示屏顯示的角度是否精確。測量5次，每次30s。
5.2 測試結(jié)果與分析
表5-1 風速儀檢測狀況（10次）
表5-2 風向儀檢測
誤差分析：我們進行了兩類的系統(tǒng)測試：驗證系統(tǒng)風速儀狀態(tài)的正確性和風向儀檢測精準度。在速度檢測準確性方面，我們可以達到百分之九十以上的準確性，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。由于我們在代碼中只是測試指令的數(shù)值，并沒有進行大量的運算，所以其精準度會很高。
在風向檢測方面，其誤差出現(xiàn)的原因主要包括：編碼器精度不夠，風向波動較大，以及單片機定時器的誤差。即使存在這些影響因素，我們的精準度也達到了百分之九十以上，已經(jīng)足夠面對日常使用了。
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致 謝
在我完成本科畢業(yè)設(shè)計的幾個月時間里，我的指導(dǎo)老師呂承啟在學(xué)習上給予了悉心的指導(dǎo)和極大的幫助，在生活上給予了無微不至的關(guān)懷與照顧。呂承啟老師深厚的理論功底、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、科學(xué)的思維方式，務(wù)實的工作作風令我收益非淺。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，同時還要感謝同實驗室和同班的各位同學(xué)給我的無私的幫助，是他們使我在本科階段的學(xué)習和生活充滿樂趣，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，不斷的支持和鼓勵我，承受了各種的壓力，付出了最真摯的愛。謹以此文獻給所有關(guān)心我的老師、同學(xué)、朋友。
最后，向評閱本文的專家、教授致敬!
附錄
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03-（設(shè)計論文-自動化-2013211320-劉江）風速風向數(shù)據(jù)采集實驗裝置的設(shè)計（呂承啟老師）.doc
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