基于单片机的风能密度测试仪

基于单片机的风能密度测试仪郭莉琳（浙江大学电子信息技术及仪器系0802班浙江杭州310000）摘要：近年来，由于大量使用石油、天然气、煤等化石燃料而导致的全球气候变化与能源枯竭问题日益紧迫，对新能源技术的开发得到广泛重视。其中，风能的利用成为一个时髦课题。尽管目前风能技术效率低下且普及率不高，但它仍被看好在不久的将来能够大量投入使用。该测试仪是一个基于单片机的对风能密度进行监测的简单设计，以AT-89C51为内核，配以频率电压转换器、模数转换器、程控放大器、RAM、显示器和其他辅助硬件电路，通过对从风速传感器、气压传感器和温度传感器输入的信号进行处理实现对风能密度的显示功能。电路结构简单易操作。关键词：风能密度；单片机；风速传感器；气压传感器；温度传感器中图分类号：……文献标识码：……文章编号：……Windenergydensitytesterbasedonsingle-chipmicrocomputerGuoLilin(Class0802,CollegeDepartmentofElectronicInformationTechnology&InstrumentScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310000,Zhejiang)Abstract:Recentlyasenvironmentalproblemscausedbyvastharnessingoftraditionalfossilfuelsuchaspetrol,gasandcoal,relatedtoglobalclimatechangeandenergydepletion,becomemoreandmorepressing,explorationinnewenergytechnologythusdrawgreatattentionofthepublic.Amongthem,windenergy,despiteofitslowefficiencyaswellasfarlessthanavailabletoall,ispopularandbelievedtobelargelyputintouseinthefuture.ThesimpledesignofthistesterbasedonSCM(single-chipmicrocomputer)isusedtoexaminethewindenergydensitywithaAT-89C51microprocessorcoreasthemaincontroltodealwiththesignalofwindvelocity,atmosphericpressureandtemperaturefromeachsensorrespectively,combinedwithFVC(Frequency-to-VoltageConverter),ADC(Analog-to-DigitalConverter),PGA(ProgrammableGainAmplifier),RAM,monitorandotherancillaryhardwarecircuit.Thecircuitstructureissimpleandeasytooperate.Keywords:windenergydensity;SCM;windvelocitysensor;atmosphericpressuresensor;temperaturesensorEEACC:……引言风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能是一种可再生的自然资源，储量非常巨大，风力发电是风能利用的最重要形式。风能观测是风能利用的基础。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能观测用来进行风能资源的评估，调查该地每年刮风的时间长短和强度，风能观测的具体因子有风速、风向、风能密度和湍流度。风能监测仪器应尽量采用测量精度高、测量范围宽、能适应各种恶劣环境且省级气象部门能检测维修的气象设备，应尽量采用市场上常见的性能稳定的器材来构成电源、通信及数据储存等辅助设备。1.风能密度的定义和计算风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，即气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能,与风速的三次方和空气密度成正比关系。W＝0.5ρv3W/m2W――瞬时风能密度(W/m2)ρ――空气密度(kg/m3)v――瞬时风速(m/s)在实际的风能利用中，对于那些不能使风能转换装置如风力发电机启动或运行的风速，例如0～3米的低速风不能使风机启动，而超过风机运行高速风有将会给风机带来破坏，我们在计算测量中要滤除，最后用所得的平均风速求出的风能密度称之为有效风能密度。2.风能密度测试仪的总体设计要想测出风能密度，必须测出实时的空气密度和风速。空气密度根据理想气体状态方程pV=nRT=(m/M)RTp――大气压强(Pa)V――气体体积(m3)n――气体分子物质的量(mol)R――普适气体常量8.31J/(mol·k)T――热力学温度(K)m――气体质量(kg)M――气体的相对分子质量(空气取29*10-3kg/mol)ρ=m/V所以ρ=pM/RTW＝0.5pMv3/RTW/m2＝kpv3/TW/m2其中k=0.5M/R≈1.74*10-3可见空气密度可以通过间接测量气压p和气温T得到，气压p用一个压阻式气压传感器转换为电压信号，气温T由一个温度传感器转为电压信号；风速采用叶轮光电风速传感器测量，该传感器主要由叶轮、旋转盘光电耦合器组成，将被测风速转化为脉冲频率信号输出，用FVC将其转换为电压信号；这样，p、T、v信号通过程控放大器用多通道采集ADC输入CPU，由CPU分别进行数字滤波和相应数据计算处理后，实时输出显示，另外，CPU还要扩展一个外部RAM，用来存储采集到的信号，以便记忆输出平均风能密度。总体设计框图3.系统各电路模块硬件设计风速传感器与频率电压转换电路光传感器与一个旋转风速计叶轮一起工作，提供与风速成正比的频率：FW=10Hz/(m/s)。再经过由比较器、单稳态定时器、积分器和恒流源构成的FVC转换为电压信号。单稳态定时器的输出为低电平时，控制模拟开关接地，恒流源不向积分电容充电；单输出为高电平时，开关接向积分电路，充电。Vo=-fRfIRtw气压传感器电路利用集成电路的扩散工艺，把硼杂质掺入硅片而形成力敏电桥制成桥式硅压阻器件。桥式硅压阻器件受到力的作用后，电阻率发生显著的变化，这种效应称为压阻效应。本设计采用ic-sensors1210型桥式硅压阻器件作为温度传感器，双列直插封装结构，有0-50摄氏度的温度补偿，参照温度25摄氏度，性能可靠，低功耗，激励电流为1.5mA。电路中C为去耦电容，运放A为电压跟随器，起阻抗变换作用，D为稳压二极管，稳定电压为1.5V，使得传感器输入电流为1.5mA。气温传感器电路根据气温信号的特性，采用由BURR-BROWN公司生产的XTR105温度传感器，利用铂电阻的温度特性制成，外部RAM显示风速传感器气压传感器温度传感器FVCADCCPU程控放大器vpT1KR5VB1C2E322K5V567567LM324C恒流源Vref单稳态定时器vo图1风速传感器与频率电压转换电路R15671KR2+5DC0.1uF接传感器正端接传感器负端1.5VA图2气压传感器电路自带传感器激励源和内置线性化电路，结构简单，可靠性高，调试方便，测温范围广，精度高，传输距离远。XTR105外形程控放大器电路本设计采用LH0084单片集成程控式仪用放大器，高速、高精度，输入阻抗1011Ω，共模抑制比70dB。其内部电路由可变增益输入级、输出级、译码器和开关驱动器以及电阻网络等部分组成。采用+-15V供电电源，电源用0.01uF和0.1uF的电容并联退耦。芯片的14、15、16管脚接来自单片机的数字信号，从而经过译码开关驱动器选择增益。4.单片机软件设计流程图12345678910111213141516LH008412345678161514131211109V+V-+IN-IN输出R端（基准）+15-150.01uF0.01uF0.1uF1uVR（基准电压）S端（敏感端）图4程控放大器电路是否上电复位定时器初始化5ms中断采集风速信号数字滤波立方运算送入RAM延时5ms采集气压信号送入RAM延时5ms采集气温信号送入RAM输出瞬时风能密度计算kpv3/T送入RAM保存将当前值送显示输出将若干个RAM中保存的值做平均显示输出【参考文献】《用于气压测量的微弱信号检测电路》肖贵贤（黄石理工学院）（医疗装备2010第3期）《集成电子技术教程》（第二版郑家龙等主编高等教育出版社2008年12月版）《基于XTR105的气温传感器》（惠力于锋等《传感器世界》2005/5/28）《风电场风能资源测量和评估技术规定》《补偿温度的线性风能表》（2009/2/24ChapelHill）