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1、长春理工大学毕业设计编号_ 本科生毕业设计基于AVR单片机的风速测量仪设计Designs based on the AVR monolithic integrated circuits wind speed measuring instrument2008 年 6 月摘 要在对气象学越加重视的今天，气象数据的采集更显重要。风速是气象数据中的一个重要的参数，对它的测量，将会极大的影响到气象预报的准确性。随着风力发电的快速发展，风速的测量也被日益重视起来。本文介绍了一种基于AVR单片机的风速仪的设计,它利用测量旋转体的转速测得风速。本设计中采用ATMAGE16单片机，并设计了集数据采集、显示、传输
2、于一体的便携式风速采集系统，本设计的主要目的虽然为风速测量，但是当对外部传动部件做简单修改以后不仅可以应用在风速的测量当中，也可在转速测量控制，车辆行驶速度测定，流速流量测量等方面发挥借鉴作用。关键字：ATMEGA16单片机，风速仪，测周法与测频法 AbstractAttached more and more importance in todays meteorology, meteorological data collection is more important. Meteorological data wind speed is an important parameter, it
3、s measurement, will greatly affect the accuracy of weather forecasting. With the rapid development of wind power, wind speed measurements have also been increasing attention to them. In this paper, a microcontroller-based AVR anemometer design, which uses the speed measurement of rotating body measu
4、red wind speed. ATMAGE16 the use of single-chip design, and design a set of data acquisition, display, transmission speed in one portable acquisition system, the main purpose of this design although the wind speed measurement, but when parts of the external drive after doing a simple modification ca
5、n be applied not only in wind speed measurement, the measurement can also be controlled in speed, vehicle speed measured flow velocity measurement from the role play. Keyword: ATMEGA16 microcontroller, anemometer, measured frequency-week law and the law目 录第一章 引 言11.1风速测量装置概述11.2 基于单片机设计风速测量仪的优点1第二章
6、设计原理32.1风速测量仪设计原理32.2风速测量仪模型4第三章 传感器的工作原理及实现方法63.1传感器工作原理63.2 红外传感计数器的原理73.3红外传感计数器检测方法7第四章 技术介绍84.1 mega16单片机842 系统扩展、接口技术943 三总线概述1044 中断技术11第五章 软件设计135.1 测频法与测周法1352 程序结构16第六章 硬件设计216.1 硬件结构图216.2 地址所存器扩展电路216.3 扩展程序存储器电路226.4 显示电路24结 论25参考文献26致 谢27附 录：28I 第一章 引 言1.1风速测量装置概述风力发电已成为当今世界的主流能源之一。目前，
7、风力发电已成为世界上公认的最接近商业化、市场竞争力最强的可再生能源技术之一，与太阳能和生物能源等其他可再生能源发电技术相比，风能具有产业成熟度高、发电成本低、自然环境和社会环境影响好等优点。风力发电占用土地资源少，资金回收期短，一般不会产生明显的自然生态影响，在社会上引起的争议很少，能较快实现规模化发展。在对气象学越加重视的今天，气象数据的采集更显重要。风速是气象数据中的一个重要的参数，对它的测量，将会极大的影响到气象预报的准确性。随着风力发电的快速发展，风速的测量也被日益重视起来。对于风速的采集与测量，不同的应用场合有不同的测量方法，常见的方式有：采用皮托管测量风速，其基本原理是通过测量风速
8、经过时在皮托管上的静压与动压之差来计算风速；采用热气球测量风速，其基本原理是通过测量风在吹过热气球时气球的振动频率，进而换算出风速等。风速测量的基本原理大致相似，都是通过某个敏感元件的某个特征量的变化来计算获得风速，只是存在测量精度上的区别。现代工业现场控制过程中，常常需要对现场的风速进行采集与检测，通常的做法是采用风速仪，通过记录风速仪上的叶片因风转动而引起的脉冲数，再通过程序转换成叶片的转圈数，进而换算成风速，将信号接入计算机，实现风速的数据回放或曲线显示。这样的风速采集系统原理简单，成本不高，但其最大的缺陷是采集系统体积庞大、机动性差，对于需要测量多点风速的场合并不适用，若采取各点均布置
9、风速传感器的方案，则成本会大幅上升，控制方案也会变得复杂，因此，传统的风速采集系统由于不具备便携性而无法应用于多点风速采集测量的场合。本文的设计旨在解决这一突出问题。该设计的基本原理是将风速的感应装置（传感器）与采集运算系统合而为一，为该装置设计采集系统、数据存储系统，同时留出数据传输接口，在必要时可以方便地与计算机进行连接，以实现数据的转移与后期处理。1.2 基于单片机设计风速测量仪的优点风速、风力的测量在某些行业，譬如煤炭，飞机，汽车，电力等都十分重要。最初的风速仪，靠人工测量，精度差，数据不及时。目前，国内使用的风速仪，多数沿用机械传动，灵敏度低，误差大，对于较多的测风点常采用一个计数器
10、测量，而野外自然风阵性变化较大，这样会引起失真和较大误差。基于单片机的风速仪，可以克服目前风速仪的弊端，作为目前风速仪的有益补充。风速传感器将测得的风速直接转为数字信号输入单片机系统，由单片机负责数据的运算、存储和显示，同时预留出与机进行数据传输的接口（接口或串行通信接口）。这样即可将风速测量系统与后期的数据采集、处理、运算结合在一起，与机的联系断开，实现了可移动性测量，具有一定的便携性。本系统借助传统风速仪测量设备，以单片机为处理信号的工具，使风速的测量精确，及时。并且，由于单片机的使用，使本设计的体积较小，适合外出携带，操作方便，可推广到工业生产中，具有较高的经济效益。因此，本文设计了基于
11、单片机的风速仪。第二章 设计原理2.1风速测量仪设计原理测量的系统框图如图1所示。 传感器整形放大单片机处理输出结果图1 测量系统框图图中传感器部分包括金属圆盘和红外光电开关。金属圆盘上均匀的开出60360个槽，固定在旋转轴上。旋转体每转一圈红外光电开关便可以输出60360个脉冲信号，该脉冲信号经过整形放大，送给mega16单片机进行处理，便可显示结果。Mega16单片机属于MEGA系列单片机是功能极强的16位高档单片机，它既适用于简单的测控系统，又适用于复杂的测控系统，他的性价比高，组成应用系统灵活。Mega16单片机在这里的作用是采样信号脉冲，并按照一定的计算公式求得所需要的被测量。首先测
12、量转速，可由下式计算： 其中： n转速，单位：转/秒 Z金属圆盘开槽数 t采样时间, 后文中或称为闸门时间，单位：秒 N在闸门时间内传感器输出的脉冲个数在测量旋转轴径向某点的线速度，即所求风速：其中：v线速度，单位：米/秒 R被测点距轴心的距离即金属盘半径，单位：米 由于采用单片机进行处理，使其比采用数字电路成本更低，精度更高。关键是本设计可以扩充几个功能，使其在生产运用上更加方便。比如，可以设定转速上下限报警。加入控制信号，可以选侧测量的数值为瞬时速度，或者为平均速度，这样可以进一步计算出瞬时加速度，并且可以保存一段时间的测量平均值等等。 由上述两测量公式可知，对于某一确定系统，Z和R都是常
13、量，因此测量转速n或线速度v需要测量的只有两个量闸门时间t和在t时间内输入的脉冲个数N。mega16单片机内含有两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器，既可以对内部机器周期计数产生定时信号，也可以对外部输入脉冲进行计数。其数控方式如下：表1 数控方式表TMOD：GATEM1M0GATEM1M0 用于定时/计数器1 用于定时/计数器0当=0时为定时方式，=1时为计数方式，本系统中mega16的两个定时计数器皆工作于8位定时方式，用于产生测量的闸门时间，对信号脉冲的计数则由软件完成，即两路传感器输出接入mega16的两个外部中断输入引脚和，当引脚上出现一个负跳变时引起中断，在
14、中断服务程序中计数输入脉冲个数，具体如下：M1M0=01时处在工作方式1 为8位计数器：选择定时或计数模式。当=1时为计数模式，当=0时为定时模式GATE：选通控制。当GATE=1时只有当端口为高电平且TRx置位为1时才选通定时/计数器x；当GATE=0时，只需TRx置位为1，即选通定时/计数器x。PD2和PD3分别是外部中断0，中断1请求端口，低电平有效。当I/O端口作为输入使用时，需要先向端口写入“1”使内部的FET截止，再读入引脚状态。2.2风速测量仪模型 市场上风速测量仪产品已经比较成熟，不仅测量精度高，易于操作，体积小，便于携带，而且产品兼容了很多功能，例如测量风向、气温、空气湿度等等，其外形小巧美观，功能强大，如下图： 现代风速测量仪产品展示 本设计目的是研究基于AVR单片机的数字红外风速测量仪，故将重点放在风速仪的电路设计以及软件设计上，故对简易
