基于PIC16C65的低功耗风速风向记录仪

1概述
目前,我国的风力发电事业正在逐步开展，风能资源的调研是建立风电场其他气象场所必须做的一项工作。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。为了对建立风电场的地点的风能资源进行正确的评估，需安装风能资源测量仪器。风能资源测量仪器主要是风速风向测量仪器。
该风速风向记录仪，不仅功能强大，而且价格便宜，能在野外无电网供电处长期可靠地运行。它有记录仪、转录仪以及配套的微机软件等部分组成。它能将风速风向传感器（EL型电接风速风向感应器）所采集的风速风向数据通过记录仪记录下来，然后将数据从测量点取回，再将数据传送至计算机进行数据处理，就能够得到测量点的风能情况。系统不仅能显示测量点采集数据、日期以及时间，而且精度相当高，存储容量大，可以连续储存3个月的数据。
2系统结构
系统由数据记录、转录以及微机软件3个模块组成。其中数据记录模块主要是对传感器产生的风速风向信号进行采集，确定风向，计算风速并显示，将合成的风速风向数据存储在外部RAM；转录部分主要完成记录模块到微机的数据传送；而微机软件则对数据进行一系列的分析，生成有关风能资源的详细报表。系统的框图，如图1所示。

2.1 数据记录模块
为降低系统的功耗，数据记录模块以PIC16C65单片机为控制核心，以EL型电接风速风向感应器为传感器，实现对风速风向的测量。该型号单片机有很多优点，如内存大，耗电小，精度高，处理速度很快等。记录模块每10s采集一次风速风向数据，取10min风速的平均值和相应的风向作为一个数据存储起来，同时数据记录模块还需记录数据采集过程中出现的最大风速值，以及出现最大风速值的日期和时间，在液晶数码管上显示实时风速和时间等信息，还需将风速风向数据存入外部RAM或将其中的数据通过串行口输出。数据记录模块结构框图，如图2所示。

EL电接风向风速感应器能提供16个风向信号和1个风速信号。风速信号是一个交变的正弦信号，其信号的幅值及频率均与风速成正比。对于单片机而言，测量频率要比测量幅值方便得多，在该系统中通过CCP1口测量脉冲宽度，通过查表、对分插值从而计算出相应的风速。由于在该模块中需要在LCD上显示实时风速，因此需将风速值转换为BCD码显示和存储。在该系统中设定风速最大值为79.9m/s（这在实际中已足够大），需占用1个半字节（11位，bit0-10），同时16个风向只需占用半个字节（4位,bit12～15），为节约存储空间，将风速、风向合并为2个字节储存，风速值的最高位（bit11）则用来表示该风向是否有效。这样一片32KB的片外RAM就可存储114d的风速风向数据。
DS12887是一个内含锂电池、集成石英晶振和写保护电路的实时时钟芯片，它的功能包括非易失时钟、警报器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节非易失静态RAM。在断电情况下，该芯片仍能保持时间和内存中的数据，利用该特点从而可实现程序的保密。可编程方波信号输出（IRQ_）32Hz方波，为LCD数码管提供显示频率。将秒、分、时的报警字节设置成形如“11××××××”的二进制不关心代码，每过1s，时钟便产生一个报警中断，IRQ管脚输出低电平，产生复位信号，使单片机从休眠状态中苏醒。
除了DS12887的中断信号会产生复位外，按键也会产生复位。该模块上有2个按钮：“方式"键和“输出"键。在接上电源时，需设置系统时间，此时“方式"键作为 1键使用，用来调整时间日期的数值，“输出"键作为功能键使用，用来改变年、月、日、时、分各项。在正常使用时，“方式"键用来显示当月的平均风速和实时时间，“输出"键用来向转录仪传送风向风速数据。
为降低系统功耗，首先应该合理地选择CPU的晶振频率，由于每10s需测量一个风向风速数据，在测量风速的脉冲宽度时等待时间较长，因此，选择较低的晶振频率有利于降低系统的功耗。其次，由于该系统只在10s、10min时才测量和计算，其余大部分时间均处于等待状态，所以，在等待时使CPU进入休眠状态，就能大大降低系统的功耗。为了减小额外电流，在休眠之前应当将设法改变这种电平不匹配的情况，分析单片机各个引脚的连接，在单片机进入休眠之前，将引脚电平设置为与外围电平一致，这样在单片机休眠期间，将能有效的降低管脚的电能消耗。 PIC16X73/74的B口，当引脚置为输入时，在单片机内部有弱上拉电阻，因此在单片机进入睡眠状态之前应该取消弱上拉，以便进一步减小功耗。
记录模块的电路图，如图3所示。??
在该系统中，外围芯片全部采用CMOS芯片以降低芯片的功耗；采用实时时钟芯片DS12887可以使CPU不用进行计时工作，采用静态的LCD显示，从而使CPU有更长的时间进入休眠状态。
总之，在考虑PIC单片机节能问题时，首先要充分利用单片机本身的功能，在程序设计上，提高单片机的工作效率，适时利用休眠指令，在单片机进入休眠之前，应该充分考虑管脚与外围电路的电平关系，减少额外电流，应该充分认识到外围电路节能是整个节能设计不可缺少的组成部分，要予以足够的重视。
2.2 数据转录模块
转录模块的作用是接收记录仪模块的数据，再将数据传送到计算机。数据转录模块由叠层电池供电，风速风向数据同样存放在外部RAM中，因此，如果转录模块中有数据，就不能停止供电，在设计时同样要考虑系统的功耗。为便于同时采集多个测量点的数据，转录模块中外接4个32KB的外部RAM，这样一次就能采集4个测量点。从面板上LED指示灯的明亮情况，可确定某个测量点的数据存放在几号芯片中，便于将数据传送到计算机。
2.3 微机界面
微机界面件是最终显示给用户的界面，是将整个系统功能体现给用户的部分。其处理的速度、精度以及界面的友好程度将直接影响到整个系统的成功与否。
数据处理软件部分主要功能：??
(1) 负责与转录仪的通信得到待处理的原始数据。??
(2) 将方向分为16个，并且通过编程计算出各风向上出现的次数、平均风能密度。??
(3) 将风速事先分为2m/s、3m/s、……、30m/s等不同风速段，通过编程使得软件能够判断出某个时间段内各个风速段出现的次数。并且能用图表形象的显示出来。

(4) 能够用图表表示出全年各风向出现的风的次数以及各风向上出现的相对风能密度，即全年风向玫瑰图和全年各向风能密度玫瑰图。
(5) 能够用图表表示出任何一个月的平均风向玫瑰图和风能密度玫瑰图。
(6) 能够用柱状图表示出某年的月平均风速。
(7) 能够用柱状图表示出全年不同时刻（0点钟、1点钟……23点钟）的平均风速以及平均风能密度。即年风速风能日变化图。
(8) 能够用柱状图表示出某月不同时刻（0点钟、1点钟……23点钟）的平均风速以及平均风能密度。即月风速风能日变化图。
(9) 具有打印每一张图表的功能。
微机界面可以规划成4大部分：通信程序窗体、数据分析程序、模块程序和各项数据处理窗体。
通信程序窗体的功能主要是与转录仪通讯，接收转录仪传来的数据；数据分析程序主要是对传来的数据进行处理，得到最基本的风资源所必须的数据，像月平均风速、各风向段出现次数累计和风能密度、各风速段出现次数累计等。这样后面的几个数据处理窗体就可以直接采用这些基本的数据，而不需要在每个窗体中重新计算，但是，有几个窗体比较复杂，所需要的数据并不是单单靠几个基本数据就可以了的，所以，复杂的窗体还是需要重新处理数据来得到需要的数据，如月、年风速风能日变化窗体等；各项数据处理窗体就是最终要显示的经处理后的数据。
数据处理软件的结构和功能，如图4所示。??

数据处理软件中的两个图形窗口：年风向、风能玫瑰图，如图5所示。月风速风能日变化图，如图6所示。

3 结束语
通过试验，数据记录模块在CPU处于工作状态时，消耗的电流小于3mA，在CPU处于休眠状态时，消耗的电流小于1mA。经过半年多的实地运行和检测，该套记录仪运行稳定，风速测量最大误差小于1m/s。通过微机界面得到的图形、数据全面，能够比较准确地评价测量点的风能资源情况。

参考文献

[1]窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：京航空航天大学出版社，1990.
[3] Bob Reselman等. Visual Basic 6.0 使用指南[M].北京：电子工业出版社，1999.