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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【中文4420字】采用Atmel 89S51微控制器的風速風向測量系統(tǒng) Eunice Sophia K T 物理系Sri Krishnadevaraya大學,Anantapuramu -515003,A.P.,印度電子郵件:eunice.sophiagmail.comRaghavendra Rao KanchiSK大學工程與技術學院物理系主任,VLSI與嵌入式系統(tǒng)實驗室教授,Anantapuramu - 515003,A.P.印度電子郵件:kanchiraghavendraraogmail.com摘要 - 本文介紹了圍繞8051系列微控制器之一構建的簡單儀器設計,用于測量瞬時風速和風向。 這個系統(tǒng)包括一個改進,但價廉的杯式風速計:戴維斯儀器6410感測上述兩個風的參數(shù)。 處理系統(tǒng)的準確性在系統(tǒng)與風傳感器接口之前被估計。 該軟件采用C語言開發(fā),數(shù)據(jù)每三秒鐘在16x2液晶顯示屏上顯示。 然后將收集的數(shù)據(jù)繪制成圓形直方圖進行分析。 所設計的系統(tǒng)由于其有效測量的原因而具有進一步發(fā)展和應用的潛力,這與標準讀數(shù)相關。關鍵詞-AT89S51;風速計;LCD; 指南針點; 摩擦系數(shù);1、簡介即使技術日新月異,器件變得更加智能化,8051微控制器及其衍生產(chǎn)品仍然有望在各種應用領域找到應用。 目前的工作是關于測量兩個主要的氣象變量1,即在氣象學,風資源評估研究,空中和水上航行,采礦和農(nóng)業(yè)等許多應用中重要的風速和風向。根據(jù)2011年3月的統(tǒng)計數(shù)據(jù),印度僅安裝了29的風力發(fā)電總潛力,其中32單獨用于技術上2。 由于政府的目標是到2022年將風力發(fā)電量提高到60GW,顯然印度更加專注于利用可再生能源發(fā)電用于清潔能源技術。 因此,該研究提出了可能提供潛在風資源評估的設計。風一般是通過其標量組件進行測量和分析的; 與風向標或風向標的風速計和風向的風速。 對流層空氣循環(huán)系統(tǒng)的年度性質(zhì),同時影響著一個地點的風速和風向3。 由于其線性和準確性,通常使用杯型和螺旋槳型旋轉式風速計進行風速測量。 雖然所采取的測量通常是平均風資料,但瞬時風測量也很重要。 瞬時風速和方向數(shù)據(jù)有助于分析渦輪機和塔架的建造,而平均風速數(shù)據(jù)預測風力發(fā)電4。 由于功率與風速的立方功率成正比,因此風速測量的微小差異會大大影響發(fā)電量5。 所以準確的風速測量有助于計算安裝風力渦輪機的良好可行性研究。在用于將旋轉速率轉換為用于記錄風速的適當電信號的不同機制1中,其中四種常用于使用直流發(fā)電機,交流發(fā)電機,電接觸器和中斷光束的換能器。2、文獻調(diào)查以前與風速計和葉片接口進行風速和風向測量的工作考慮如下:Ivan Simeonov等6開發(fā)了一種短期天氣預報嵌入式系統(tǒng),其中風速傳感器給出方波脈沖,每升高1公里就需要修正風速讀數(shù)。Michael Cosgrove等人7設計了一個超低成本的測風儀,用于風力發(fā)電的可行性調(diào)查。 在這種情況下,雖然磁簧開關在杯子的每次旋轉時產(chǎn)生一個單一開關閉合的脈沖,但是開發(fā)了去抖動的算法。Haci Can和Vedat M. Karsh 8從事數(shù)據(jù)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(diào)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(shù),在與微控制器接口之前,需要進行信號調(diào)理。Fouad Sh. Tahir等人10設計了一個基于個人電腦的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測量溫度,風速和方向參數(shù)。即使當風速傳感器為杯子的一次旋轉而產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù),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(chǎn)生多于一個的脈沖需要信號調(diào)節(jié)電路。從上述考慮的工作中,產(chǎn)生正弦波的換能器需要額外的信號調(diào)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(diào)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(shù)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(nèi)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(shù)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(nèi)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(chǎn)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N348.75 11.25NNE11.25 33.75NE33.75 56.25ENE56.25 78.75E78.75 101.25ESE101.25 123.75SE123.75 146.25SSE146.25 168.75S168.75 191.25SSW191.25 213.75SW213.75 236.25WSW236.25 258.75W258.75 281.25WNW281.25 303.75NW303.75 326.25NNW326.25 348.75B. 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(shù)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36.757511.25111022.5232045453067.56740908965146.2514578175.517485191.2519098220.5219100225224106238.5237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(diào)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(nèi)對脈沖進行計數(shù),這與風速和風向測量的推薦采樣平均次數(shù)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(jù)ADC的值發(fā)出適當?shù)姆较?。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(shù)的風速計。4、軟件該軟件是使用KeilVision5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(jù)風向移動。 觀察是在一天中的三個半小時內(nèi)進行的。 每2分鐘記錄的讀數(shù)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(shù)的標準值進行比較。 10米高的標準讀數(shù)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)16.51.52671.6987568.5148 (ENE)ENE17.01.81732.0116876.0462 (ENE)ENE17.51.81932.0675692.9933 (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(nèi),大部分時間的風很大,占總數(shù)的50,而東北偏東。在16:30-17:00的時間段內(nèi),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(shù)與標準讀數(shù)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)(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),是摩爾系數(shù)或Hellmann指數(shù)或風切變系數(shù)18。 這個系數(shù)是一個地點特定地形的函數(shù),這個參數(shù)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(shù)。表四. 不同景觀的摩擦系數(shù)表地面類型摩擦系數(shù)()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(shù)=(ln(v)-ln(v0)/(ln(H)-ln(H0)(2)根據(jù)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(shù)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(shù)增加的時候進行。 因此,接下來的兩個摩擦系數(shù)即0.15和0.20被考慮用于從10m到16m的高度推斷標準讀數(shù)。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)=0.15WS(m/s)=0.20觀察 WS (m/s)116.51.63821.67711.698752171.94991.99642.01168317.51.95211.99862.06756等于0.15和0.20的摩擦系數(shù)的外推標準風速讀數(shù)與觀測到的風速值強相關。 相關系數(shù)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(shù)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.htm3 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-speed5 http:/www.wwindea.org/technology/ch01/en/1_4.html6 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(CompSysTech06),2006年。7 M. Cosgrove,B. Rhodes,J. Scott,“風力發(fā)電可行性調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn). Sorribes-Palmer,“風杯測風儀,風能產(chǎn)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.html14 AT89S51 Datasheet.pdf。15戴維斯風速儀6410 Datasheet.pdf。16 http:/www.keil.com/c51/pk51kit.aspF.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.com18 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
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