论文部分内容阅读
摘 要：大力发展风力发电将有助于我国调整能源结构、减少环境污染、保障能源安全、实现可持续发展。随着物联网技术在风力发电装置中的重要性不断提升，清洁能源得到了极大应用。文章采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，设计了一种风力发电模拟装置：利用三杯式风速传感器测量实时风速，利用风向传感器测量实时风向，通过风力发电模块点亮LED灯，并用LCD1602显示器实时显示测量出来的风速、风向、LED灯的工作功率等。实验结果表明，该模拟装置能够准确实现相关功能，且运行稳定。
关键词：单片机;风力发电;传感器技术
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：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
隨着石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭以及全球变暖、环境恶化等问题的凸显，可再生能源的利用成为各国关注的焦点。风能作为一种储量大、分布广的清洁能源，其社会效益和经济效益已经得到人们的普遍认可，发展前景十分广阔[1]。风力发电技术作为利用风能的主要方法之一也已日趋成熟，其产生的经济效益已逼近常规能源，极具开发潜力[2]。
目前，我国以集中式、化石能源为主的传统电网存在诸多问题。例如：能耗方面，造成了巨大的能源损耗;用电服务方面，单向信息流、简单的电价方案不能满足所有用户的需要;电力质量方面，水平低、变动大;修复故障方面，定期检修和人工修复大大耗费了时间与人力;资产管理方面，人工管理，利用效率低[3]。随着物联网技术的发展与普及，在风力发电场中使用各类传感器来有效地监测风力发电机组的工作状态，及时发现设备的异常，提前排除故障状态已成为研究的主要方向[4]。根据风力发电场的环境，对风速和风向进行监测，实时反馈风机运行数据，再通过数据比对了解每个风机运行情况，对于数据偏差较大的风机及时查看实况并予以纠正，从而将电能损失降到最低[5]。通常情况下，风力发电机组安装位置比较偏僻、自然环境比较恶劣，而且受到逆变器等电力电子装置和电网谐波等因素影响，容易发生故障。因此，对风力发电进行在线运行状态实时监测跟踪，具有十分重要的现实意义[6]。
物联网技术作为第三次信息化浪潮的核心技术之一，其在各行各业应用带来的生产力的提升及可观的经济效益，使得各国政府积极力推物联网技术的发展。将物联网与电网进行融合，实现传统电网的升级改造，打造智能电网，解决传统电网现存的各类问题，极具应用价值。在智能电网行业中，物联网技术能有效提高电网供电的可靠性，并通过电网和用户间的双向互动，为用户提供更加智能化和多元化的用电服务。在物联网系统中，单片机作为常用的控制器，具有使用起来简单可靠、价格低、体积小等特点。
结合物联网中的传感器及单片机技术，本文设计了一种基于单片机的风力发电模拟装置，采用单片机及多路传感器采集处理风速、风向等数据，利用风能转换成电能模块，发电点亮LED灯，并且通过LCD显示器实时显示风速、风向、LED灯工作电流、功率等。本系统主要包括电源模块、主控模块、风速/风向模块、风力发电模块、报警模块、显示模块等。 1 系统总体结构设计
本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，以实现对风速和风向的实时监测，并利用显示模块对检测到的风速、风向和LED灯的工作功率等进行显示。本系统主要包括单片机STC12C5A60S2、风力发电模块、风速模块、风向模块、显示模块、报警模块、电源模块等。系统总体结构图如图1所示。
本系统主要实现的功能包括：
（1）利用电风扇带动扇叶转动，使电机产生电流，点亮LED灯;
（2）利用三杯式风速传感器对风速进行检测;
（3）利用风向传感器对风向进行检测;
（4）将传感器检测到的风速和风向在LCD1602上进行显示，并显示LED灯的实时工作电流、功率等;
（5）设定警报风向为“南”，当检测到风向为“南”时，报警模块蜂鸣器会发出警报。
2 硬件设计
风力发电模拟装置硬件部分包括电风扇、STC12C5A6 0S2单片机最小系统、LCD1602显示屏、208碳刷直流电机、三杯式风速传感器、风向传感器、蜂鸣器等。模块有主控模块、风速模块、风向模块、风力发电模块、报警模块、显示模块、电源模块等。
2.1 主控模块
采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，其内部集成MAX810专用复位电路，2位PWM，8路高速10位A/D转换（250 K/S）。STC12C5A60S2单片机最小系统如图2所示。
2.2 风速模块
风速模块采用三杯式风速传感器，当户外的风速达到7级，并持续5～10分钟后，三杯式风速传感器将信号送到控制器，控制器检测到信号，将系统自动放平，并停止跟踪风速;此时间隙检测风速，当风速小于7级连续10～30分钟以上，系统自动恢复到跟踪风速。在本文设计的风力发电模拟装置中，风速模块通过STC12C5A60S2单片机的P11引脚接收传感器输出的电压，并将该电压数值进行A/D转换，再经过变换公式，从而计算得出风速变化。变换公式为：V=0.27×M/100。其中V表示风速，M是风速传感器测出的数据再经过单片机数模转换之后得到的值。风速模块电路如图3所示。
2.3 风向模块
风向模块采用0～5 V风向变送器，即风向传感器。本文设计的风力发电模拟装置通过STC12C5A60S2单片机采集传感器的输出电压，经过A/D转换，得到一个值M（单位为mV），再经过变换公式，从而计算出风向变化。变换公式为：X=0.35×M，其中X表示风向，M是风速传感器测出的数据再经过单片机数模转换之后得到的值。风向模块电路如图4所示。
2.4 风力发电模块
采用普通电机，通过风扇驱动电机扇叶旋转发电，点亮LED灯。通过STC12C5A60S2单片机P10口采集LED灯在工作时的电压，P13口采集LED灯在工作时的电流，以便后续电功率的计算。风力发电模块电路如图5所示。
2.5 显示模块
基于LCD有零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等优点。STC12C5A60S2单片机将接收到的风速、风向数据进行处理后，通过LCD显示出来，主要显示LED工作功率、风速、风向等测量数据。显示模块电路如图6所示。
2.6 报警模块
报警模块主要由蜂鸣器组成，当单片机采集到危险方位数据（例如：南）时，则会启动报警模式，单片机控制蜂鸣器鸣声。报警模块电路如图7所示。
3 软件设计
基于单片机的风力发电模拟装置主要包括风速模块、风向模块、报警模块及显示模块等几个模块的软件设计。其中，风速模块在风吹动时，其传感器会实时测量风速，并将测量到的电压值进行A/D转换后，将风速信息转化成电压信息，并将得到的数据发送给主控模块，根据所设置的公式（V=0.27×M/100）进行计算，从而得出风速。以下为部分风速转化程序：
adc[1]=AD_get（1）;//获取A/D转化后的电压值
su=0.27*sum1/100;//根据计算公式計算风向
风向模块是在有风吹动时，其传感器会实时测量风的方向，并将所得到的电压值在进行A/D转换后发送给主控模块，根据所设置的公式（X=0.35×M）进行计算。以下为部分风向转化程序：
adc[2]=AD_get（2）;//获取A/D转化后的电压值
xiang=0.35*adc[2];//根据计算公式计算风向
//当风向电压在小于0.35 V时，表示风向为北方向
if（xiang<0.35）{
string（0xc6，"N"）;
ss=1;}
//当风向电压在大于1.05 V小于1.75 V时，表示风向为东方向
else if（xiang>1.05&&xiang<1.75）{
string（0xc6，"E"）;}
//当风向电压在大于2.45 V小于3.2 V时，表示风向为南方向
else if（xiang>2.45&&xiang<3.2）{
string（0xc6，"S"）;}
//当风险电压在大于3.85 V小于4.6 V时，表示风向为西方向
else if（xiang>3.85&&xiang<4.6）{
string（0xc6，"W"）;} 蜂鸣报警功能是在风向测量的数据是危险方向（例如：南）时，主控模块会控制蜂鸣器发出鸣声。
LCD1602显示功能是在测量出风速、风向、LED灯工作电流、功率后，主控模块将数据通过LCD1602进行实时显示。以下为部分LCD1602显示程序：
void number（uchar ad，uchar a） {//lcd显示数字
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为需显示的字符串位置
//ge为需显示数字的个位，shi为需显示数字的十位，bai为需显示数字的百位
风速传感器测出数据发送给主控模块后，主控模块进行A/D转换，并对数据进行计算，从而得出风速数据。风向传感器测出数据发送给主控模块，主控模块进行A/D转换后，将数据进行计算，得出风向数据。风速/风向模块软件设计流程图如图8所示。
4 模拟装置测试
对基于STC12C5A60S2单片机的风力发电模拟装置进行测试，测试结果如表1所示。
从表1中可以看出以下几点：
（1）基于单片机的风力发电模拟装置可点亮LED灯，且保证LED灯稳定发光;
（2）风速传感器能正确测量实时风速，风向传感器能测量实时风向;
（3）LCD显示器能显示实时风速、风向、LED工作电流、功率，且数据保证在规定误差以内;
（4）当风向为“南”时，蜂鸣器能及时鸣声，进行提示。
模拟装置实物测试结果如图9所示。从图中可以清晰看到LED灯被点亮，且LCD显示出实时风速、风向、LED工作电流、功率等。由测试结果可知：基于单片机的风力发电模拟装置能准确实现相关功能，且运行稳定。
5 结 论
大力发展风力发电将有助于我国调整能源结构、减少污染环境、保障能源安全、实现可持续发展。本文设计的基于单片机的风力发电模拟装置实现了风力发电并点亮LED灯，且利用LCD实时显示相关数据。主要实现了风速风向的实时测量及当风向转为设定的方向时，报警模块会鸣响、LCD数据显示等。该模拟装置从一定意义上实现了风力发电的智能化管理，可以节省风力发电环节中的人力成本，提高发电效益。下一步将致力于物联网技术与电网的深度融合，提升电网智能化水平方向的研究。
参考文献：
[1] 张儒，陈志军.风力发电模拟实验装置设计 [J].自動化仪表，2011，32（9）：35-37.
[2] 宿忠娥，祁建宏，效迎春.数据挖掘技术在风力发电机组故障诊断中的应用与研究 [J].自动化与仪器仪表，2018，38（2）：31-34.
[3] 吴润扬.物联网在智能电网中的应用 [J].通讯世界，2019，26（2）：174-175.
[4] 王维娜，吴玲敏，高海瑞.基于物联网的风力发电机状态监测系统设计 [J].仪表技术与传感器，2019（6）：56-58+62.
[5] 侯云海，董雪芳，刘东东.嵌入式风速风向传感器精度检测仪 [J].长春工业大学学报，2016，37（5）：465-469.
[6] 黄敏，徐菲，刘珺.基于云计算与物联网的风力发电智能监测系统研究 [J].可再生能源，2017，35（7）：1032-1037.
作者简介：谭艳萍（1990.04—），女，汉族，湖南邵阳人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术应用。
关键词：单片机;风力发电;传感器技术
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：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
隨着石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭以及全球变暖、环境恶化等问题的凸显，可再生能源的利用成为各国关注的焦点。风能作为一种储量大、分布广的清洁能源，其社会效益和经济效益已经得到人们的普遍认可，发展前景十分广阔[1]。风力发电技术作为利用风能的主要方法之一也已日趋成熟，其产生的经济效益已逼近常规能源，极具开发潜力[2]。
目前，我国以集中式、化石能源为主的传统电网存在诸多问题。例如：能耗方面，造成了巨大的能源损耗;用电服务方面，单向信息流、简单的电价方案不能满足所有用户的需要;电力质量方面，水平低、变动大;修复故障方面，定期检修和人工修复大大耗费了时间与人力;资产管理方面，人工管理，利用效率低[3]。随着物联网技术的发展与普及，在风力发电场中使用各类传感器来有效地监测风力发电机组的工作状态，及时发现设备的异常，提前排除故障状态已成为研究的主要方向[4]。根据风力发电场的环境，对风速和风向进行监测，实时反馈风机运行数据，再通过数据比对了解每个风机运行情况，对于数据偏差较大的风机及时查看实况并予以纠正，从而将电能损失降到最低[5]。通常情况下，风力发电机组安装位置比较偏僻、自然环境比较恶劣，而且受到逆变器等电力电子装置和电网谐波等因素影响，容易发生故障。因此，对风力发电进行在线运行状态实时监测跟踪，具有十分重要的现实意义[6]。
物联网技术作为第三次信息化浪潮的核心技术之一，其在各行各业应用带来的生产力的提升及可观的经济效益，使得各国政府积极力推物联网技术的发展。将物联网与电网进行融合，实现传统电网的升级改造，打造智能电网，解决传统电网现存的各类问题，极具应用价值。在智能电网行业中，物联网技术能有效提高电网供电的可靠性，并通过电网和用户间的双向互动，为用户提供更加智能化和多元化的用电服务。在物联网系统中，单片机作为常用的控制器，具有使用起来简单可靠、价格低、体积小等特点。
结合物联网中的传感器及单片机技术，本文设计了一种基于单片机的风力发电模拟装置，采用单片机及多路传感器采集处理风速、风向等数据，利用风能转换成电能模块，发电点亮LED灯，并且通过LCD显示器实时显示风速、风向、LED灯工作电流、功率等。本系统主要包括电源模块、主控模块、风速/风向模块、风力发电模块、报警模块、显示模块等。 1 系统总体结构设计
本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，以实现对风速和风向的实时监测，并利用显示模块对检测到的风速、风向和LED灯的工作功率等进行显示。本系统主要包括单片机STC12C5A60S2、风力发电模块、风速模块、风向模块、显示模块、报警模块、电源模块等。系统总体结构图如图1所示。
本系统主要实现的功能包括：
（1）利用电风扇带动扇叶转动，使电机产生电流，点亮LED灯;
（2）利用三杯式风速传感器对风速进行检测;
（3）利用风向传感器对风向进行检测;
（4）将传感器检测到的风速和风向在LCD1602上进行显示，并显示LED灯的实时工作电流、功率等;
（5）设定警报风向为“南”，当检测到风向为“南”时，报警模块蜂鸣器会发出警报。
2 硬件设计
风力发电模拟装置硬件部分包括电风扇、STC12C5A6 0S2单片机最小系统、LCD1602显示屏、208碳刷直流电机、三杯式风速传感器、风向传感器、蜂鸣器等。模块有主控模块、风速模块、风向模块、风力发电模块、报警模块、显示模块、电源模块等。
2.1 主控模块
采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，其内部集成MAX810专用复位电路，2位PWM，8路高速10位A/D转换（250 K/S）。STC12C5A60S2单片机最小系统如图2所示。
2.2 风速模块
风速模块采用三杯式风速传感器，当户外的风速达到7级，并持续5～10分钟后，三杯式风速传感器将信号送到控制器，控制器检测到信号，将系统自动放平，并停止跟踪风速;此时间隙检测风速，当风速小于7级连续10～30分钟以上，系统自动恢复到跟踪风速。在本文设计的风力发电模拟装置中，风速模块通过STC12C5A60S2单片机的P11引脚接收传感器输出的电压，并将该电压数值进行A/D转换，再经过变换公式，从而计算得出风速变化。变换公式为：V=0.27×M/100。其中V表示风速，M是风速传感器测出的数据再经过单片机数模转换之后得到的值。风速模块电路如图3所示。
2.3 风向模块
风向模块采用0～5 V风向变送器，即风向传感器。本文设计的风力发电模拟装置通过STC12C5A60S2单片机采集传感器的输出电压，经过A/D转换，得到一个值M（单位为mV），再经过变换公式，从而计算出风向变化。变换公式为：X=0.35×M，其中X表示风向，M是风速传感器测出的数据再经过单片机数模转换之后得到的值。风向模块电路如图4所示。
2.4 风力发电模块
采用普通电机，通过风扇驱动电机扇叶旋转发电，点亮LED灯。通过STC12C5A60S2单片机P10口采集LED灯在工作时的电压，P13口采集LED灯在工作时的电流，以便后续电功率的计算。风力发电模块电路如图5所示。
2.5 显示模块
基于LCD有零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等优点。STC12C5A60S2单片机将接收到的风速、风向数据进行处理后，通过LCD显示出来，主要显示LED工作功率、风速、风向等测量数据。显示模块电路如图6所示。
2.6 报警模块
报警模块主要由蜂鸣器组成，当单片机采集到危险方位数据（例如：南）时，则会启动报警模式，单片机控制蜂鸣器鸣声。报警模块电路如图7所示。
3 软件设计
基于单片机的风力发电模拟装置主要包括风速模块、风向模块、报警模块及显示模块等几个模块的软件设计。其中，风速模块在风吹动时，其传感器会实时测量风速，并将测量到的电压值进行A/D转换后，将风速信息转化成电压信息，并将得到的数据发送给主控模块，根据所设置的公式（V=0.27×M/100）进行计算，从而得出风速。以下为部分风速转化程序：
adc[1]=AD_get（1）;//获取A/D转化后的电压值
su=0.27*sum1/100;//根据计算公式計算风向
风向模块是在有风吹动时，其传感器会实时测量风的方向，并将所得到的电压值在进行A/D转换后发送给主控模块，根据所设置的公式（X=0.35×M）进行计算。以下为部分风向转化程序：
adc[2]=AD_get（2）;//获取A/D转化后的电压值
xiang=0.35*adc[2];//根据计算公式计算风向
//当风向电压在小于0.35 V时，表示风向为北方向
if（xiang<0.35）{
string（0xc6，"N"）;
ss=1;}
//当风向电压在大于1.05 V小于1.75 V时，表示风向为东方向
else if（xiang>1.05&&xiang<1.75）{
string（0xc6，"E"）;}
//当风向电压在大于2.45 V小于3.2 V时，表示风向为南方向
else if（xiang>2.45&&xiang<3.2）{
string（0xc6，"S"）;}
//当风险电压在大于3.85 V小于4.6 V时，表示风向为西方向
else if（xiang>3.85&&xiang<4.6）{
string（0xc6，"W"）;} 蜂鸣报警功能是在风向测量的数据是危险方向（例如：南）时，主控模块会控制蜂鸣器发出鸣声。
LCD1602显示功能是在测量出风速、风向、LED灯工作电流、功率后，主控模块将数据通过LCD1602进行实时显示。以下为部分LCD1602显示程序：
void number（uchar ad，uchar a） {//lcd显示数字
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为需显示的字符串位置
//ge为需显示数字的个位，shi为需显示数字的十位，bai为需显示数字的百位
风速传感器测出数据发送给主控模块后，主控模块进行A/D转换，并对数据进行计算，从而得出风速数据。风向传感器测出数据发送给主控模块，主控模块进行A/D转换后，将数据进行计算，得出风向数据。风速/风向模块软件设计流程图如图8所示。
4 模拟装置测试
对基于STC12C5A60S2单片机的风力发电模拟装置进行测试，测试结果如表1所示。
从表1中可以看出以下几点：
（1）基于单片机的风力发电模拟装置可点亮LED灯，且保证LED灯稳定发光;
（2）风速传感器能正确测量实时风速，风向传感器能测量实时风向;
（3）LCD显示器能显示实时风速、风向、LED工作电流、功率，且数据保证在规定误差以内;
（4）当风向为“南”时，蜂鸣器能及时鸣声，进行提示。
模拟装置实物测试结果如图9所示。从图中可以清晰看到LED灯被点亮，且LCD显示出实时风速、风向、LED工作电流、功率等。由测试结果可知：基于单片机的风力发电模拟装置能准确实现相关功能，且运行稳定。
5 结 论
大力发展风力发电将有助于我国调整能源结构、减少污染环境、保障能源安全、实现可持续发展。本文设计的基于单片机的风力发电模拟装置实现了风力发电并点亮LED灯，且利用LCD实时显示相关数据。主要实现了风速风向的实时测量及当风向转为设定的方向时，报警模块会鸣响、LCD数据显示等。该模拟装置从一定意义上实现了风力发电的智能化管理，可以节省风力发电环节中的人力成本，提高发电效益。下一步将致力于物联网技术与电网的深度融合，提升电网智能化水平方向的研究。
参考文献：
[1] 张儒，陈志军.风力发电模拟实验装置设计 [J].自動化仪表，2011，32（9）：35-37.
[2] 宿忠娥，祁建宏，效迎春.数据挖掘技术在风力发电机组故障诊断中的应用与研究 [J].自动化与仪器仪表，2018，38（2）：31-34.
[3] 吴润扬.物联网在智能电网中的应用 [J].通讯世界，2019，26（2）：174-175.
[4] 王维娜，吴玲敏，高海瑞.基于物联网的风力发电机状态监测系统设计 [J].仪表技术与传感器，2019（6）：56-58+62.
[5] 侯云海，董雪芳，刘东东.嵌入式风速风向传感器精度检测仪 [J].长春工业大学学报，2016，37（5）：465-469.
[6] 黄敏，徐菲，刘珺.基于云计算与物联网的风力发电智能监测系统研究 [J].可再生能源，2017，35（7）：1032-1037.
作者简介：谭艳萍（1990.04—），女，汉族，湖南邵阳人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术应用。