毕业设计：基于单片机控制的风速风向的测量(终稿)-精品

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1、滨滨江学院江学院 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题题 目目 基于单片机控制的风速风向的测量基于单片机控制的风速风向的测量 院院 系系 滨江自动控制系滨江自动控制系 专专 业业 测控技术与仪器测控技术与仪器 学生姓名学生姓名 叶成龙叶成龙 学学 号号 指导教师指导教师 庄庄 伟伟 职职 称称 讲讲 师师 二一一年二一一年 五五 月月 三十三十 日日 - 1 - 目录目录 摘要摘要3 第第 1 1 章章 绪论绪论3 1.1 问题的提出3 1.2 国内外的发展动态4 1.3 研究的内容4 1.4 研究内容4 1.4.1 风速测量方法5 1.4.2 风向测量方法6 第第 2 2 章章 系统整体硬件

2、电路分析设计系统整体硬件电路分析设计7 2.1 单片机部分7 2.1.1 单片机型号7 2.1.2 硬件系统的主电路设计8 2.2 风速测量的设计11 2.2.1 风速传感器11 2.2.2 信号放大部分11 2.2.3 AD 转化器工作原理.13 2.2.4 显示部分15 2.3 风向测量的设计16 第第 3 3 章章 软件系统的设计软件系统的设计20 3.1 风速软件设计21 3.2 风速部分程序22 3.3 风向软件设计24 3.4 风向部分程序25 第第 4 4 章章 硬件电路图与仿真设计硬件电路图与仿真设计26 4.1 硬件电路图设计工具与仿真工具26 4.1.1 硬件电路图原理图设

3、计工具26 4.1.2 硬件电路仿真工具26 4.2 硬件电路设计.27 4.3 电路仿真设计28 4.3.1 风速测量仿真28 4.3.2 风向测量仿真29 4.3.3 仿真分析30 第第 5 5 章章 系统的调试系统的调试31 5.1 硬件调试31 - 2 - 5.2 软件调试31 参考文献参考文献32 附录附录33 风速程序：33 风向程序：38 致谢：致谢：41 ABSTRACT42 - 3 - 基于单片机控制的风速风向的测量基于单片机控制的风速风向的测量 叶成龙 南京信息工程大学滨江学院测控技术与仪器专业，南京 摘要摘要 人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能

4、源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在 自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利 用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。 本文介绍了用 AT89S52 系列单片机设计监测风速风向的数据采集处理系统以及显示模块。对于风速该系统采用单片机 技术。压力传感器采集的数据交给单片机处理，再由液晶显示屏显示测量的风速值。对于风向该系统利用编码器在 0-360范 围内进行测量收集信号，在多圈旋转的情况下能够实现单圈自动归零，通过单片机进行格雷码转化处理，测量风向通过数码 管显示。软件部分的设计采用模块编程，方便今

5、后的维护和改进。 关键词：关键词：风向 风速 单片机 传感器 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 问题的提出问题的提出 风是农业生产的环境因子之一。风速适度对改善农田环境起着重要作用。风对农业也会产生消极作 用。它能传播病原体，蔓延植物病害。高空风是粘虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、飞蝗等害虫长距离迁飞的 气象条件。大风使叶片机械擦伤、作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。大风还造成土壤风蚀、 沙丘移动，而毁坏农田。在干旱地区盲目垦荒，风将导致土地沙漠化。牧区的大风和暴风雪可吹散畜群， 加重冻害。地方性风的某些特殊性质，也常造成风害。由海上吹来含盐分较多的海潮风，高温低温的焚 风和干热风，都

6、严重影响果树的开花、座果和谷类作物的灌浆。防御风害，多采用培育矮化、抗倒伏、 耐摩擦的抗风品种。营造防风林，设置风障等更是有效的防风方法。所以测量风速风向对人类更好地研 究及利用风能和改善生活生产有积极的影响。 我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒 3 米以上，特别是东北、西北、西南 高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，风力 发电是很有前途的。尤其是目前能源紧张，风力发电成为新潮发电方式的情况下，对风速风向的测量和 控制尤为重要。所以研究风的变化意义巨大。 - 4 - 1.21.2 国内外的发展动态国内外的发展动态 风是大自然

7、普遍存在的，而风这一定义的出现以及开始进行测量则是有很久的历史，在奴隶社会初 期，我国的人们就开始进行简单的测量以及判断，只是那个时候的测量方法是通过旗帜来判断的，一旗 帜飘扬的方向以及平率来进行判断风向风速，这种方法只能进行简单的判断，而在东汉的进一步发展将 风向风速的测量有一定的发展，但是在进行测量的时候依旧是只能进行判断，而无法得出准确的值,但是 现在使用传感器来进行测量就能够了解到某一时刻的准确的风向风速，同时还能进行计算某一段的风向 风速的平均值。目前，在工农业生产领域，工厂的自动流水生产线，全自动加工设备，都大量地采用了 各种各样的传感器，它们在合理化地进行生产，减轻人们的劳动强度

8、，避免有害的作业发挥了巨大的作 用。在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器的精确制导，没有传感器是难以 实现的。在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶，仪表着陆盲降系统，都需要 传感器。人造卫星的遥感遥测都与传感器紧密相关。没有传感器，要实现这样的功能那是不可能的。国 内外使用的传感器及其部件大多以机械的为主，此类传感器一般是体积大，测量精度不高，响应时间长， 灵敏度低，价格昂贵。而且，它们的电路复杂，占用面积大。为了使传感器的测量精度，稳定性和可靠 性都较高，同时避免繁琐的机械传动，传感器的研究方向已经向着小型化，低功耗，集成化，智能化方 向发展。 1.

9、31.3 研究的内容研究的内容 风速风向是经常需要采集的一个参数，由于机械式的风速传感器响应时间比较长，体积大，而且价 格比较贵，要实现在一个不是很广阔的地方测量风速就会比较难，所以本课题研究的是设计一个小型的 测量系统，此测量风速系统要电路简单，精度高，体积小，成本低，容易实现。 风速风向系统的功能主要是能对当前的风速风向进行测量并在显示器件上显示，而且测量系统要求 具有一定的精度，在断电及其他影响情况下仍能准确的工作，尤其是风向测量部分，要求具有断电保护 或者记忆功能，能够时刻反应风向情况。本课题研究的是设计一个小型的测量系统，此测量系统电路简 单，精度高，体积小，成本低，容易实现。对于风

10、速在 080m/s 的范围内，在单片机的控制下，采用合 适的测量方法对电压的变化进行测量，同时要求风速的测量达到一定的精度，误差不超过 5%并且对风速 进行显示。对于风向在 0-360范围内进行测量，在多圈旋转的情况下能够实现单圈自动归零，单片机处 理测量风向能够显示并且达到一定的精度。 1.41.4 研究内容研究内容 早期的测量系统无论是结构上还是测量方法上都比较简单，大多数情况下就是使用一些简单的仪表， 完全由人来进行转速测量，整个系统的成本较低，但可靠性不高，实现的功能单一。随着电子技术、计 算机技术、现代控制技术等技术的迅猛发展，测速系统得到了不断的发展与完善，功能更强大。传感器 的种

11、类越来越多。全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传 感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化， 竞争也将日益激烈。 - 5 - 1.4.11.4.1 风速测量方法风速测量方法 （1）风杯式风速计： 它是最常见的一种风速计。转杯式风速计最早由英国 J.T.R.鲁宾孙发明(1846)，当时是四杯,后来 改用三杯。三个互成120 度固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个 可以自由转动的轴上。在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发 电机或光电计数器等记录。当风

12、杯转动时，通过主轴带动多齿转盘旋转，使下面光敏三极管接收上面发 光二极管照射下来的光线，处于导通或截止状态，形成与风杯转速成正比的频率信号，通过计数器计数， 换算后得到实际风速值。 （2）热敏式风速计： 基于热原理的硅风速传感器，在流体中存在一个热源，通过测量热源周围的温度场分布或热源的热 损失，来得到关于流体的信息。硅的热流量传感器有三种工作原理分别为热损失型风速传感器，热温差 型风速传感器以及热脉冲型风速传感器热损失型风速传感器一般含有一个单元，其同时作为加热单元和 测温单元，热损失型风速传感器测量单个加热单元的总的热损失量。因为大多数材料的电阻率随温度而 变化，所以，可以通过测量电阻的变

13、化反映风速的大小。热损失型风速传感器可以工作在恒功率和恒温 差两种工作方式。在恒功率下，通过测量加热单元的温度而得到风速大小，恒功率的反应时间取决于加 热单元的热电容和传热速率。 热温差型一般含有一个加热单元和两个对称的测温单元，当加热表面被不一致的冷却时，对称测温 单元能测量对称点的温度，其温度差和风速成一定的函数关系，同时温差的正负符号反映风向的信息； 热脉冲型则通过测量脉冲在流体中传输速度反映流体的速度。热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用 于对小风速测量。 （3）皮托管式风速计： 标准皮托管是一根弯成直角的金属细管,它由感测头、外管、内管、管柱与全压、静压引出导管等组 成。在皮托管头部

14、的顶端,迎着来流开有一个小孔,小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游 的地方,环绕管壁的外侧又开了多个小孔,流体流动的方向与这些小孔的孔面相切。顶端的小孔与侧面的 小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入皮托管顶端小孔的气流压力(称为全压) ,除了流体本身的静 压,还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力,而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅仅是流体的静压, 根据全压和静压即可求出动压,从而求出流体的流速。 （4）超声波式风速计： 当超声波在空气中传播时，受到风速的影响，顺风和逆风情况下存在一个时间差，基于这个原理可 制成的时差法超声波风速测量仪表。采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式

15、时差法、多普勒法 和涡街风速测量。 时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速的，最早应用于超声波流量 计，它适用于大、中口径管道及敞开水道流量的测量，此法受温度影响比较大。多普勒法适用于不洁净 流体的测量，而涡街法适用于管道流体流速的测量。 （5） 压力式风速计: 当风在传播过程中，对阻碍它前进的物体会有一个压力，利用风对阻碍它传播而产生的压力可以制 成一个压力传感器。压力传感器把风对它的压力转换成电信号，根据电信号的大小来求出风速的大小。 (6)光电式风速计: 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这 - 6 - 是目前应用

16、最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上 等分地开通若干个长方形孔。当风在传播时，风速带动电动机旋转，光电码盘与电动机同轴，光栅盘与 电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电 编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速，从而求出风速值。 1.4.21.4.2 风向测量方法风向测量方法 风向传感器： 风向传感器的感应组件为前端有辅助标版的单板式风向标。本设计角度变化采用四位格雷码光电码 盘。当风向标随风旋转时，通过主轴带动码盘旋转，没转动一定度数，位于码盘上下两侧的四组发光与 接收光电器件就会产生一组新的四位并行格雷码，进过整形、倒相后输出。方位-角度-格雷码-二进制码 对照表时风向测量单片机编程的重要依据。 - 7 - 第第 2 2 章章 系统整体硬件电路分析设计系统整体硬件电路分析设计 风速风向测量的硬件系统包括单片机系统，测风速部分，测风向部分以及显示部分，