基于單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)

譚艷萍 黃星雨 向雯嵐 余治遠(yuǎn)

摘 ?要：大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電將有助于我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、保障能源安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電裝置中的重要性不斷提升，清潔能源得到了極大應(yīng)用。文章采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電模擬裝置：利用三杯式風(fēng)速傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)速，利用風(fēng)向傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)向，通過風(fēng)力發(fā)電模塊點(diǎn)亮LED燈，并用LCD1602顯示器實(shí)時(shí)顯示測(cè)量出來的風(fēng)速、風(fēng)向、LED燈的工作功率等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模擬裝置能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，且運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);風(fēng)力發(fā)電;傳感器技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP29 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2096-4706（2021）06-0171-05

Design of Wind Power Generation Simulator Based on Single-Chip Microcomputer

TAN Yanping，HUANG Xingyu，XIANG Wenlan，YU Zhiyuan

（School of Computer and Information Engineering，Guizhou University of Commerce，Guiyang ?550014，China）

Abstract：Vigorously developing wind power generation will help China to adjust energy structure，reduce environmental pollution，ensure energy security and achieve sustainable development. With the increasing importance of the internet of things technology in wind power generation devices，clean energy has been greatly applied. In this paper，STC12C5A60S2 single-chip microcontroller is used as the core controller to design a wind power generation simulator. A three-cup wind speed sensor is used for measuring the real-time wind speed，a wind direction transfer is used for measuring the real-time wind direction，the wind power generation module is used to turn on the LED light，and an LCD1602 display is used for displaying in real time the measured wind speed，wind direction，the working power of the LED light. The experimental results show that the simulator can accurately achieve the relevant functions，and the operation is stable.

Keywords：single-chip microcomputer;wind power generation;sensor technology

0 ?引 ?言

隨著石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭以及全球變暖、環(huán)境惡化等問題的凸顯，可再生能源的利用成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能作為一種儲(chǔ)量大、分布廣的清潔能源，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)得到人們的普遍認(rèn)可，發(fā)展前景十分廣闊[1]。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為利用風(fēng)能的主要方法之一也已日趨成熟，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益已逼近常規(guī)能源，極具開發(fā)潛力[2]。

目前，我國以集中式、化石能源為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)存在諸多問題。例如：能耗方面，造成了巨大的能源損耗;用電服務(wù)方面，單向信息流、簡(jiǎn)單的電價(jià)方案不能滿足所有用戶的需要;電力質(zhì)量方面，水平低、變動(dòng)大;修復(fù)故障方面，定期檢修和人工修復(fù)大大耗費(fèi)了時(shí)間與人力;資產(chǎn)管理方面，人工管理，利用效率低[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中使用各類傳感器來有效地監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，提前排除故障狀態(tài)已成為研究的主要方向[4]。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的環(huán)境，對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)比對(duì)了解每個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，對(duì)于數(shù)據(jù)偏差較大的風(fēng)機(jī)及時(shí)查看實(shí)況并予以糾正，從而將電能損失降到最低[5]。通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝位置比較偏僻、自然環(huán)境比較惡劣，而且受到逆變器等電力電子裝置和電網(wǎng)諧波等因素影響，容易發(fā)生故障。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行在線運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為第三次信息化浪潮的核心技術(shù)之一，其在各行各業(yè)應(yīng)用帶來的生產(chǎn)力的提升及可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使得各國政府積極力推物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。將物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)改造，打造智能電網(wǎng)，解決傳統(tǒng)電網(wǎng)現(xiàn)存的各類問題，極具應(yīng)用價(jià)值。在智能電網(wǎng)行業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能有效提高電網(wǎng)供電的可靠性，并通過電網(wǎng)和用戶間的雙向互動(dòng)，為用戶提供更加智能化和多元化的用電服務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，單片機(jī)作為常用的控制器，具有使用起來簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低、體積小等特點(diǎn)。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器及單片機(jī)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置，采用單片機(jī)及多路傳感器采集處理風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，利用風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能模塊，發(fā)電點(diǎn)亮LED燈，并且通過LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速、風(fēng)向、LED燈工作電流、功率等。本系統(tǒng)主要包括電源模塊、主控模塊、風(fēng)速/風(fēng)向模塊、風(fēng)力發(fā)電模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用顯示模塊對(duì)檢測(cè)到的風(fēng)速、風(fēng)向和LED燈的工作功率等進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)主要包括單片機(jī)STC12C5A60S2、風(fēng)力發(fā)電模塊、風(fēng)速模塊、風(fēng)向模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、電源模塊等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：

（1）利用電風(fēng)扇帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，使電機(jī)產(chǎn)生電流，點(diǎn)亮LED燈;

（2）利用三杯式風(fēng)速傳感器對(duì)風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè);

（3）利用風(fēng)向傳感器對(duì)風(fēng)向進(jìn)行檢測(cè);

（4）將傳感器檢測(cè)到的風(fēng)速和風(fēng)向在LCD1602上進(jìn)行顯示，并顯示LED燈的實(shí)時(shí)工作電流、功率等;

（5）設(shè)定警報(bào)風(fēng)向?yàn)椤澳稀?，?dāng)檢測(cè)到風(fēng)向?yàn)椤澳稀睍r(shí)，報(bào)警模塊蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電模擬裝置硬件部分包括電風(fēng)扇、STC12C5A6 0S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD1602顯示屏、208碳刷直流電機(jī)、三杯式風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、蜂鳴器等。模塊有主控模塊、風(fēng)速模塊、風(fēng)向模塊、風(fēng)力發(fā)電模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、電源模塊等。

2.1 ?主控模塊

采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制器，其內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2位PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 K/S）。STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 ?風(fēng)速模塊

風(fēng)速模塊采用三杯式風(fēng)速傳感器，當(dāng)戶外的風(fēng)速達(dá)到7級(jí)，并持續(xù)5～10分鐘后，三杯式風(fēng)速傳感器將信號(hào)送到控制器，控制器檢測(cè)到信號(hào)，將系統(tǒng)自動(dòng)放平，并停止跟蹤風(fēng)速;此時(shí)間隙檢測(cè)風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速小于7級(jí)連續(xù)10～30分鐘以上，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到跟蹤風(fēng)速。在本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置中，風(fēng)速模塊通過STC12C5A60S2單片機(jī)的P11引腳接收傳感器輸出的電壓，并將該電壓數(shù)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過變換公式，從而計(jì)算得出風(fēng)速變化。變換公式為：V=0.27×M/100。其中V表示風(fēng)速，M是風(fēng)速傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)再經(jīng)過單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后得到的值。風(fēng)速模塊電路如圖3所示。

2.3 ?風(fēng)向模塊

風(fēng)向模塊采用0～5 V風(fēng)向變送器，即風(fēng)向傳感器。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置通過STC12C5A60S2單片機(jī)采集傳感器的輸出電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)值M（單位為mV），再經(jīng)過變換公式，從而計(jì)算出風(fēng)向變化。變換公式為：X=0.35×M，其中X表示風(fēng)向，M是風(fēng)速傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)再經(jīng)過單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后得到的值。風(fēng)向模塊電路如圖4所示。

2.4 ?風(fēng)力發(fā)電模塊

采用普通電機(jī)，通過風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)扇葉旋轉(zhuǎn)發(fā)電，點(diǎn)亮LED燈。通過STC12C5A60S2單片機(jī)P10口采集LED燈在工作時(shí)的電壓，P13口采集LED燈在工作時(shí)的電流，以便后續(xù)電功率的計(jì)算。風(fēng)力發(fā)電模塊電路如圖5所示。

2.5 ?顯示模塊

基于LCD有零輻射、低功耗、散熱小、體積小、圖像還原精確、字符顯示銳利等優(yōu)點(diǎn)。STC12C5A60S2單片機(jī)將接收到的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過LCD顯示出來，主要顯示LED工作功率、風(fēng)速、風(fēng)向等測(cè)量數(shù)據(jù)。顯示模塊電路如圖6所示。

2.6 ?報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要由蜂鳴器組成，當(dāng)單片機(jī)采集到危險(xiǎn)方位數(shù)據(jù)（例如：南）時(shí)，則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警模式，單片機(jī)控制蜂鳴器鳴聲。報(bào)警模塊電路如圖7所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置主要包括風(fēng)速模塊、風(fēng)向模塊、報(bào)警模塊及顯示模塊等幾個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)。其中，風(fēng)速模塊在風(fēng)吹動(dòng)時(shí)，其傳感器會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速，并將測(cè)量到的電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將風(fēng)速信息轉(zhuǎn)化成電壓信息，并將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊，根據(jù)所設(shè)置的公式（V=0.27×M/100）進(jìn)行計(jì)算，從而得出風(fēng)速。以下為部分風(fēng)速轉(zhuǎn)化程序：

adc[1]=AD_get（1）;//獲取A/D轉(zhuǎn)化后的電壓值

su=0.27*sum1/100;//根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算風(fēng)向

風(fēng)向模塊是在有風(fēng)吹動(dòng)時(shí)，其傳感器會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)的方向，并將所得到的電壓值在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給主控模塊，根據(jù)所設(shè)置的公式（X=0.35×M）進(jìn)行計(jì)算。以下為部分風(fēng)向轉(zhuǎn)化程序：

adc[2]=AD_get（2）;//獲取A/D轉(zhuǎn)化后的電壓值

xiang=0.35*adc[2];//根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算風(fēng)向

//當(dāng)風(fēng)向電壓在小于0.35 V時(shí)，表示風(fēng)向?yàn)楸狈较?/p>

if（xiang<0.35）{

string（0xc6，"N"）;

ss=1;}

//當(dāng)風(fēng)向電壓在大于1.05 V小于1.75 V時(shí)，表示風(fēng)向?yàn)闁|方向

else ?if（xiang>1.05&&xiang<1.75）{

string（0xc6，"E"）;}

//當(dāng)風(fēng)向電壓在大于2.45 V小于3.2 V時(shí)，表示風(fēng)向?yàn)槟戏较?/p>

else ?if（xiang>2.45&&xiang<3.2）{

string（0xc6，"S"）;}

//當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)電壓在大于3.85 V小于4.6 V時(shí)，表示風(fēng)向?yàn)槲鞣较?/p>

else ?if（xiang>3.85&&xiang<4.6）{

string（0xc6，"W"）;}

蜂鳴報(bào)警功能是在風(fēng)向測(cè)量的數(shù)據(jù)是危險(xiǎn)方向（例如：南）時(shí)，主控模塊會(huì)控制蜂鳴器發(fā)出鳴聲。

LCD1602顯示功能是在測(cè)量出風(fēng)速、風(fēng)向、LED燈工作電流、功率后，主控模塊將數(shù)據(jù)通過LCD1602進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。以下為部分LCD1602顯示程序：

void number（uchar ad，uchar a） {//lcd顯示數(shù)字

uint ge，shi，bai;

write_command（ad）;

ge=a%10;

a=a/10;

shi=a%10;

bai=a/10;

write_data（0x30+bai）;

write_data（0x30+shi）; }

//ad為需顯示的字符串位置

//ge為需顯示數(shù)字的個(gè)位，shi為需顯示數(shù)字的十位，bai為需顯示數(shù)字的百位

風(fēng)速傳感器測(cè)出數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊后，主控模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)向傳感器測(cè)出數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊，主控模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出風(fēng)向數(shù)據(jù)。風(fēng)速/風(fēng)向模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

4 ?模擬裝置測(cè)試

對(duì)基于STC12C5A60S2單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出以下幾點(diǎn)：

（1）基于單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置可點(diǎn)亮LED燈，且保證LED燈穩(wěn)定發(fā)光;

（2）風(fēng)速傳感器能正確測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)速，風(fēng)向傳感器能測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)向;

（3）LCD顯示器能顯示實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、LED工作電流、功率，且數(shù)據(jù)保證在規(guī)定誤差以內(nèi);

（4）當(dāng)風(fēng)向?yàn)椤澳稀睍r(shí)，蜂鳴器能及時(shí)鳴聲，進(jìn)行提示。

模擬裝置實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以清晰看到LED燈被點(diǎn)亮，且LCD顯示出實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、LED工作電流、功率等。由測(cè)試結(jié)果可知：基于單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，且運(yùn)行穩(wěn)定。

5 ?結(jié) ?論

大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電將有助于我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少污染環(huán)境、保障能源安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電并點(diǎn)亮LED燈，且利用LCD實(shí)時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。主要實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速風(fēng)向的實(shí)時(shí)測(cè)量及當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為設(shè)定的方向時(shí)，報(bào)警模塊會(huì)鳴響、LCD數(shù)據(jù)顯示等。該模擬裝置從一定意義上實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電的智能化管理，可以節(jié)省風(fēng)力發(fā)電環(huán)節(jié)中的人力成本，提高發(fā)電效益。下一步將致力于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電網(wǎng)的深度融合，提升電網(wǎng)智能化水平方向的研究。

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作者簡(jiǎn)介：譚艷萍（1990.04—），女，漢族，湖南邵陽人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。