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小型无线风速仪系统设计
jiang_0514 发表于 2009/2/26 8:56:14 781 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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在现代社会中随着科学技术的飞速发展,各个领域中，对数据采集的需要越来越多，数据采集技术应用越来越广泛。无线传输通讯模块可以使MCU 数据采集系统准确、快捷的把测量数据传输给PC 机或其他接收设备，组成无线通讯传输系统。
同时，随着现代海洋开发事业的迅速发展，对准确、实时、近实时的海洋学和气象学资料的需求量迅速增加；伴随着现代社会中科学技术的飞速发展，数据采集技术应用越来越广泛。小型无线风速仪是一种无人值守的，能自动定时采集风速风向数据，自动存储记录，并将数据通过VHF通信机发送到接收站的小型测量仪器。该风速仪主要用于沿岸海洋环境监测站和近海环境工程的监测工作。
2、系统结构
整个系统主要由以下几个部分组成：采集处理系统、通信系统、风传感器、接收站等。
图1 系统原理结构图
下面详细介绍对系统硬件的选择：
2.1风传感器
风传感器选用的是美国R.M.Yong公司生产的05106型风传感器。
05106型风传感器是一种风速、风向传感器一体的螺旋桨式、飞机尾翼强风传感器，它精度高、坚固耐用、结构简单、抗腐蚀、适用范围广。尾翼的转动产生一个正弦波交流电压信号，信号的频率与风速成比例。以极低的比率来保证风波动信号不失真，风向标的角度非常灵敏，在密封的壳内装有一个高精度的电位计，电位计输出的电压与风标的角度成比例，风标有一个定位装置能保证仪器装卸维修后风向复位。
2.2采集处理系统
采集处理系统为整个系统的核心，完成自动采集传感器信号、处理并存储数据、然后通过通信机将数据发往岸站。采用51系列单片机，主要由采集板、电池等组成。采集处理系统在指定的观测整点根据一定的时序采集并处理各类传感器的信号和数据，然后通过通信系统发送到接收站，同时将原始数据保存到存储器中，还随时响应计算机的各类读数据、写数据、检测等命令。采集处理系统每隔一小时或指定间隔（可设）定时进行数据采集和处理。
2.2.1 主控电路
主控电路由单片机及其编程配置电路组成（ISP）、看门狗电路、时钟电路、电压转换电路组成。
1）MCU 考虑到风速仪需要在海上工作且采用电池供电，因此MCU采用ATMEL公司的AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在线可编程功能。可通过编程配置电路（ISP）在线下载，保证了设计的灵活性[1]。
2）看门狗电路 由于单片机自身的抗干扰能力较差，尤其是在海上这种条件比较恶劣的场合，常会出现单片机因受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。而看门狗可以防止单片机死机、提高单片机系统的抗干扰性能。该看门狗电路选用芯片MAX1232，提供产生手动复位信号、电源监控、看门狗等功能[2]。
3）时钟电路 由于该系统要求定时采集数据，因此必须选择时钟模块以提供准确的采集时间。该系统选择高精度实时时钟模块SD2200，该系列是一种具有内置晶振、支持I2C总线的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为±5ppm(在-10～50℃下)，即年误差小于2.5 分钟；
4) 电压转换电路 该系统支持AC220V及DC12V两种供电方式。交流供电的时候，AC220V经过AC/DC模块转换成12V直流电，而DC12V供电方式采用12V铅酸蓄电池。12V直流电可以直接为电台提供电源，12V经过7805，7808转换可以得到5V、8V的电压，为芯片提供合适的工作电压。
图2 风速信号调理电路图
该系统有两路模拟量输入信号，一路为来自风传感器的风向信号，另一路为电池电压信号，该电路由一片8位串行A/D转换器ADC0832及两路前端放大器组成。电路原理图如图3所示。
图3风向信号调理电路图
2.2.3 存储电路
该系统的测量参数为10分钟平均风速、3小时最大风速、平均风向，而且全部测量数据储存，储存介质容量应满足连续工作1年的需要。所以需要存储的数据为时间和风速风向，经估算1年的存储数据约为80k，因此本系统选择两片24C512，共128k存储空间，采用I2C总线技术[3]。
2.3 通信系统
数据采集电路采集来的数据除了存储在存储芯片中，还要及时的传递数据到岸站的pc机上，以便于人们查看采集到的数据。因此通讯体统必不可少，该风速仪采用日产NISSEI专业数传电台，它具有以下特点：
1) 与目前同类进口数传电台相比, 功能最先进、体积最小；
2) 发射功率1～12W可调, 所有技术指标达到欧洲工业标准；
3) 数传专用频段(223～235MHz),16个半双工频道可编程设置；
4) 工作温度范围:-40°C～+70°C,适应严酷的工作环境
2.3.1通信系统可达到的技术要求
1) 传输时间：每次测量后整点发送（间隔时间可设置）；
2) 发射机功率：5W；
3) 传输速率：2400/4800bps；
4) 通信频率：229MHz；
5) 浮标天线形式：鞭状天线；
6) 岸站天线形式：鞭状或定向天线；
7) 传输距离：不小于20km。
2.3.2通信系统的控制电路
通信部分的控制电路采用MAX232芯片，它将单片机串行接口的TTL电平转换为标准的RS-232电平，以便与通信机输入接口相连接。电台的开启关闭用单片机的一个I/O口控制。
3、软件设计
主程序的工作是每2s采样一次风速和风向，并暂存，10min到后计算10min平均风速和风向，然后向接收站发送联机请求，进行联机操作。系统软件流程图见图4。 数据采集主程序及中断程序框图如图：
图4软件设计流程图
4 结束语
小型无线风速仪研制成功后，先后做了多项实验，从使用情况来看，该仪器性能稳定，运行可靠，测量准确，实际应用取得较好的效果。
参考文献
[1] 祁伟，杨亭.单片机C51程序设计教程与实验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[2] 李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计[M].北京：电子工业出版社，2004.
[3] 周治良 刘俊等,基于FPGA及FLASH的数据采集存储系统设计[J].微计算机信息，2007，3-1：91-92