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：……
Wind energy density tester based on single-chip
microcomputer
Guo Lilin
(Class 0802, College Department of Electronic Information Technology & Instrument
Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310000, Zhejiang)
Abstract: Recently as environmental problems caused by vast harnessing of traditional fossil fuel such as petrol, gas and coal, related to global climate change and energy depletion, become more and more pressing, exploration in new energy technology thus draw great attention of the public. Among them, wind energy, despite of its low efficiency as well as far less than available to all, is popular and believed to be largely put into use in the future. The simple design of this tester based on SCM(single-chip microcomputer) is used to examine the wind energy density with a AT-89C51 microprocessor core as the main control to deal with the signal of wind velocity, atmospheric pressure and temperature from each sensor respectively, combined with FVC(Frequency-to-Voltage Converter), ADC(Analog-to-Digital Converter), PGA(Programmable Gain Amplifier), RAM, monitor and other ancillary hardware circuit. The circuit structure is simple and easy to operate. Key words: wind energy density; SCM; wind velocity sensor; atmospheric pressure
sensor; temperature sensor
EEACC :……
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。
T ――热力学温度 (K) 1. 风能密度的定义和计算
m ――气体质量 (kg) 风能密度是单位迎风面积可获得
M ――气体的相对分子质量 (空气取的风的功率，即气流在单位时间内垂
29*10-3 kg/mol) 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。
ρ= m/V W ＝0.5ρv 3W/m2
所以
ρ=pM/RT W――瞬时风能密度 (W/m2)
W ＝0.5 pM v3/RT W/m2 ρ――空气密度(kg/m3)
＝kpv 3/T W/m2 v ――瞬时风速(m/s)
其中 k=0.5 M /R≈1.74*10-3
在实际的风能利用中，对于那些
可见空气密度可以通过间接测量不能使风能转换装置如风力发电机启
气压p 和气温T 得到，气压p 用一个动或运行的风速，例如0～3米的低速
压阻式气压传感器转换为电压信号，风不能使风机启动，而超过风机运行
气温T 由一个温度传感器转为电压信高速风有将会给风机带来破坏，我们
号；风速采用叶轮光电风速传感器测在计算测量中要滤除，最后用所得的
量，该传感器主要由叶轮、旋转盘光平均风速求出的风能密度称之为有效
电耦合器组成，将被测风速转化为脉风能密度。
冲频率信号输出，用FVC 将其转换为2. 风能密度测试仪的总体设计 电压信号；
这样，p 、T 、v 信号通过程控放大要想测出风能密度，必须测出实
器用多通道采集ADC 输入CPU ，由时的空气密度和风速。
CPU 分别进行数字滤波和相应数据计空气密度根据理想气体状态方程
算处理后，实时输出显示，另外，CPU pV=nRT =(m/M)RT 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p ――大气压强 (Pa) 密度。 V ――气体体积(m3) n ――气体分子物质的量(mol) R ――普适气体常量8.31 J/(mol·k)
总体设计框图
Vo=-fRfIR t w
自带传感器激励源和内置线性化电数字信号，从而经过译码开关驱动器路，结构简单，可靠性高，调试方便，选择增益。
测温范围广，精度高，传输距离远。
4. 单片机软件设计流程图
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 11阻抗10Ω，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
【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》（2009/2/24 Chapel Hill）
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：……
Wind energy density tester based on single-chip
microcomputer
Guo Lilin
(Class 0802, College Department of Electronic Information Technology & Instrument
Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310000, Zhejiang)
Abstract: Recently as environmental problems caused by vast harnessing of traditional fossil fuel such as petrol, gas and coal, related to global climate change and energy depletion, become more and more pressing, exploration in new energy technology thus draw great attention of the public. Among them, wind energy, despite of its low efficiency as well as far less than available to all, is popular and believed to be largely put into use in the future. The simple design of this tester based on SCM(single-chip microcomputer) is used to examine the wind energy density with a AT-89C51 microprocessor core as the main control to deal with the signal of wind velocity, atmospheric pressure and temperature from each sensor respectively, combined with FVC(Frequency-to-Voltage Converter), ADC(Analog-to-Digital Converter), PGA(Programmable Gain Amplifier), RAM, monitor and other ancillary hardware circuit. The circuit structure is simple and easy to operate. Key words: wind energy density; SCM; wind velocity sensor; atmospheric pressure
sensor; temperature sensor
EEACC :……
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。
T ――热力学温度 (K) 1. 风能密度的定义和计算
m ――气体质量 (kg) 风能密度是单位迎风面积可获得
M ――气体的相对分子质量 (空气取的风的功率，即气流在单位时间内垂
29*10-3 kg/mol) 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。
ρ= m/V W ＝0.5ρv 3W/m2
所以
ρ=pM/RT W――瞬时风能密度 (W/m2)
W ＝0.5 pM v3/RT W/m2 ρ――空气密度(kg/m3)
＝kpv 3/T W/m2 v ――瞬时风速(m/s)
其中 k=0.5 M /R≈1.74*10-3
在实际的风能利用中，对于那些
可见空气密度可以通过间接测量不能使风能转换装置如风力发电机启
气压p 和气温T 得到，气压p 用一个动或运行的风速，例如0～3米的低速
压阻式气压传感器转换为电压信号，风不能使风机启动，而超过风机运行
气温T 由一个温度传感器转为电压信高速风有将会给风机带来破坏，我们
号；风速采用叶轮光电风速传感器测在计算测量中要滤除，最后用所得的
量，该传感器主要由叶轮、旋转盘光平均风速求出的风能密度称之为有效
电耦合器组成，将被测风速转化为脉风能密度。
冲频率信号输出，用FVC 将其转换为2. 风能密度测试仪的总体设计 电压信号；
这样，p 、T 、v 信号通过程控放大要想测出风能密度，必须测出实
器用多通道采集ADC 输入CPU ，由时的空气密度和风速。
CPU 分别进行数字滤波和相应数据计空气密度根据理想气体状态方程
算处理后，实时输出显示，另外，CPU pV=nRT =(m/M)RT 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p ――大气压强 (Pa) 密度。 V ――气体体积(m3) n ――气体分子物质的量(mol) R ――普适气体常量8.31 J/(mol·k)
总体设计框图
Vo=-fRfIR t w
自带传感器激励源和内置线性化电数字信号，从而经过译码开关驱动器路，结构简单，可靠性高，调试方便，选择增益。
测温范围广，精度高，传输距离远。
4. 单片机软件设计流程图
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 11阻抗10Ω，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
【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》（2009/2/24 Chapel Hill）