院系滨江自动控制系专业测控技术与仪器学生叶成龙学号指导

毕业设计基于单片机控制的风速风向的测量.docx

毕业设计基于单片机控制的风速风向的测量

滨江学院

毕业论文〔设计〕

题目基于单片机控制的风速风向的测量

院系滨江自动控制系

专业测控技术与仪器

学生叶成龙

学号

指导教师庄伟

职称讲师

二Ｏ一一年五月三十日

基于单片机控制的风速风向的测量

叶成龙

信息工程大学滨江学院测控技术与仪器专业，210044

摘要

人类社会开展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的开展产生一次飞跃。

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°围进展测量收集信号，在多圈旋转的情况下能够实现单圈自动归零，通过单片机进展格雷码转化处理，测量风向通过数码管显示。

软件局部的设计采用模块编程，方便今后的维护和改良。

关键词：

风向风速单片机传感器

第1章绪论

1.1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。

在干旱地区盲目开荒，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，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。

1.2国外的开展动态

风是大自然普遍存在的，而风这一定义的出现以及开场进展测量那么是有很久的历史，在奴隶社会初期，我国的人们就开场进展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展判断风向风速，这种方法只能进展简单的判断，而在东汉的进一步开展将风向风速的测量有一定的开展，但是在进展测量的时候依旧是只能进展判断，而无法得出准确的值,但是现在使用传感器来进展测量就能够了解到某一时刻的准确的风向风速，同时还能进展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，它们在合理化地进展生产，减轻人们的劳动强度，防止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、武器的准确制导，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严密相关。

没有传感器，要实现这样的功能那是不可能的。

国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，同时防止繁琐的机械传动，传感器的研究方向已经向着小型化，低功耗，集成化，智能化方向开展。

1.3研究的容

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拟长，体积大，而且价格比拟贵，要实现在一个不是很广阔的地方测量风速就会比拟难，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，本钱低，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展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，尤其是风向测量局部，要求具有断电保护或者记忆功能，能够时刻反响风向情况。

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，本钱低，容易实现。

对于风速在0－80m/s的围，在单片机的控制下，采用适宜的测量方法对电压的变化进展测量，同时要求风速的测量到达一定的精度，误差不超过5%并且对风速进展显示。

对于风向在0-360°围进展测量，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到达一定的精度。

1.4研究容

早期的测量系统无论是构造上还是测量方法上都比拟简单，大多数情况下就是使用一些简单的仪表，完全由人来进展转速测量，整个系统的本钱较低，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开展，测速系统得到了不断的开展与完善，功能更强大。

传感器的种类越来越多。

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根底上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益剧烈。

1.4.1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.鲁宾创造（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，恒功率的反响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，当加热外表被不一致的冷却时，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；热脉冲型那么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基于单片机的风速风向测量，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、管、管柱与全压、静压引出导管等组成。

在皮托管头部的顶端,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局部压力,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基于单片机的风速风向测量，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。

采用超声波进展气体流速测量可以采用三种形式时差法、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，此法受温度影响比拟大。

多普勒法适用于不干净流体的测量，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。

这是目前应用最多的传感器，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假设干个长方形孔。

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假设干脉冲信号，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。

1.4.2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。

第2章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，测风速局部，测风向局部以及显示局部，风速风向的硬件系统框图如图2.1：

图2.1硬件系统框图

2.1单片机局部

2.1.1单片机型号

单片机是此系统的核心部件之一，因此单片机的选取影响整个系统的性能和系统的设计本钱。

单片机的选型直接影响着系统的反响速度，功耗，系统的复杂程度以及系统的本钱。

如果系统构造复杂，计算量大，工作任务繁重就要考虑用高级一点的单片机，像16位的单片机。

在这里系统的任务量小，处理的数据不是很复杂，对存要求不高，所以选Atmel公司的AT89S52单片机。

ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机的最大特点就是在片含有FLASH存储器，并且是以8031为核心构成的。

所以，它和8051系列单片机是兼容的。

AT89S52主要性能：

●8KB可改编程序Flash存储器〔可经受1000次的写入/擦除〕。

●全静态工作：

0Hz～33MHz。

●3级加密程序存储器。

●256字节部RAM。

●32条可编程I/O线。

●3个16位定时器/计数器。

●8个中断源。

●全双工UART串行通道。

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

对于双列直插封转方式的AT89S52，其引脚排列如图2.2所示:

图2.2单片机电路

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断构造，全双工串行口，片晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU