1、装订线摘要本设计的任务是开发设计一个测量室内风速、风向的仪器，要求测量风速在1m/s在测量过程中，被测风速在1m/s以内。本文对风速/风向的测量基于超声波的渡越时间差。超声波在空气中的传播速度与气流速度产生叠加现象。在固定的测量路径内，与超声波传播方向同向的风速分量增大了超声波传播速度，从而使渡越时间减小；与超声波传播方向反向的风速分量，相反的，使超声波传播速度减小，从而使渡越时间增大。双向测量渡越时间，就可以通过这两个渡越时间计算出测量路径内的风速。并且同时可以测出该风向。本文在对超声风速测量原理分析和反复试验的基础上设计了室内微风传感器的硬件电路，对所应用的超声传感器、电路各组成部分和主要
2、器件功能做了详细介绍，并编写了相应单片机控制软件。最后总结了微风传感器的特点，对前景进行了分析和展望。该测风系统利用时差法超声波测风原理设计了风速风向测量系统实现了对瞬时风速风向的精确测量克服了传统测风仪测量精度不高和使用环境受限制等缺点。这句话从哪来的？ 在哪能体现？ 实验结果还是？关键词：微风测量、风速仪、超声传感器、单片机、串行通讯AbstractThe task of this design is to devolopesign a device to measurement of indoor wind speed and wind direction, and wind speed
3、 measurement in the wind speed should be lower than 1m/s during the measurement requirements.In this paper, the wind speed and direction measurement based on ultrasonic transit time difference. Ultrasonic propagation in air speed and air velocity superposition phenomenon. In the measurement of fixed
4、 route, and the ultrasonic propagation direction to the same wind velocity component increases thevelocity of ultrasonic wave, so that the transit time is reduced; wind component,reverse and ultrasonic wave propagation direction on the contrary, theultrasonic propagation velocity decreases, so that
5、the transit time is increased.Bidirectional measurement of transit time, can be calculated by the two transit time measurement of wind velocity within the path. On the basis of analysis of the principle of ultrasonic velocity measurement and lots of experiments, the hardware circuit of the indoor ai
6、rflow sensor is designed in this thesis. The ultrasonic transducers and the main components used in the circuit are introduced in detail. The MCU (Micro Control Unit) based control software is programmed. In conclusion, the characteristics of the indoor airflow sensor are summed up and the developme
7、nt prospect is analyzed. A This wind measurement system which is designed by using the time difference method can measure the instantaneous wind exactly. Compared with the traditional wind measurement, it also has a higher precision without the use of space limitation.Key words: Cold storage Anemome
8、ter Refrigerating system Ammonia Compressor 这个关键词怎么不翻译？Indoor airflow measurement wind velocity indicato ultrasonic sensor MCU serial communication目录摘要1Abstract11 绪论11.1 引言11.2 文献综述11.2.1 基于单片机的CNC系统21.2.2 基于可编程控制器（PLC）的CNC系统31.2.3 基于液压控制系统的自动U型弯管机CNC系统31.2.4 基于工业PC的CNC系统3 1.3 设计思路41.4 内容安排52 基于单片机的
9、弯管机控制原理62.1 超声风速测量原理62.2 超声换能器工作原理72.3 40LPT16超声换能器92.4 空间结构设计103 单片机控制系统硬件电路设计123.1 硬件设计总体结构123.2 AT89S51单片机与部分外围电路133.3 超声风速测量电路153.3.1 光耦继电器和反相器15 3.3.2 开关驱动接收电路163.3.3 滤波电路183.3.4 比例放大电路203.3.5 回波检测电路213.3.6 TL431电压偏置电路22 3.4 小结224 单片机控制系统软件设计244.1 串行通讯244.2 风速测量软件设计流程244.3 实验结果284.4 小结29结 论30致
10、谢31参考文献32附录（一）：应用程序34附录（二）：外文文献翻译及原文40装订线安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 引言 随着国内工业现代化程度的日益提高，过去老式的机械液压式夸管机已不能满足越来越高的精度要求和大规模生产的韶要，因为其精度差，工人劳动强度大，效率低下。因而到了八十年代中期出现了由Z- 80单板机作控制器的数控育管机，但由于它体积大、拢扰能力差等缺点，也不能很好地满足工作的书要。单片机以其优良的性能，很强的扰干扰能力，在对传弘技术改造中，扮演了越来越盆要的角色。以单片机为核心的新里效控夸管机是一种高效率、高精度的数控夸管机，它休积小巧，操作灵活，能够夸
11、曲管径从。24mm-r60mm的各种管子.育曲最大角度为196度，专曲精度达到士1度，非常适合弯曲大批f、不同角度值的管子。1.2 文献综述钢管弯管机是用来制作特殊钢管结构构件的液压机械设备，用单片机构件钢管及的自动控制系统，用于管线转弯处。弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关，早在20世纪70年代时，美国 EATONLEONARD公司就已经研制生产了计算机数控弯管设备，首创计算机编程数控弯管之先河，大大提高了当时的数控弯管水平。 20世纪 80年代，日本千代田工业株式会社在美国 EATONLEONARD公司的研究成果上，成功研制了 M-1型管型测量机和 EC、TC两种系列十多种型号的数控弯
12、管机，功能非常强大，很快便以崭新的技术面貌挤入了国际市场。我国的数控弯管机研究起步较晚，但发展很快，早在 1970年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机，这是国内自主研制的第一台数控弯管机。1973年武昌造船厂又成功研制了 SKWG-2型数控弯管机。此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机，也有半自动的数控弯管机，甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管，具有典型的“老、中、青”(即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床)三者结合的中国特色。该类弯管机的控制系统主要有：基于单片机的CNC系统、基于PLC的弯
13、管机控制系统、PROFIBUS现场总线的中频液压弯管机控制系统、基于PLC与步进电机的全自动数控弯管机控制系统、新型缠绕式液压弯管机控制系统、基于上下位机的中频弯管机控制系统、基于PLC与伺服电动机的全自动弯管机控制系统、基于液压控制系统的自动U型弯管机控制系统、大口径中频加热弯管机控制系统。 1.2.1 基于单片机的CNC系统重要的单片机型号有MSC-51系列单片机、MC9S12XS12N系列单片机。采用单片机开发的数控弯管机成本低，其操作简单、实时性好、现场的适应能力强。并且机床操作方便、人机界面友好，因此，一般都用来开发简易的经济性数控机床。MCS-51 系列单片机MCS-51 系列单片
14、机是INTEL公司在MCS-48系列的基础上，在80年代初又推出的高性能的8位单片机。它与48 系列相比，在片内存储器容量、I/0口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到加强。就MCS-51系列单片机特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8位单片机。MCS-51系列单片机的三个基本产品为8031、8751、8051。它们的指令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异1.2.2 基于可编程控制器（PLC）的CNC系统1.PLC在弯管机控制系统中的优点（1）用PLC控制弯管机时，工作可靠性高；（2）该类弯管机控制系统具有操作系统简单。
15、方便、工人劳动强度低、危险系数小、人力成本低等优点；（3）其控制速度快；（4）可以在条件艰苦的工作环境中工作；（5）安装容易，施工方便；（6）可靠性高，使用寿命长，可扩展性强；（7）有自诊断能力，维护工作量小。2.基于上下位机的中频加热液压弯管机控制系统控制系统组成:中频液压弯管机组电气自动化控制系统主要是由数字式步进液压伺服控制系统、中频感应加热电源控制系统、工业控制计算机与PLC组成的工业现场网络控制系统组成。具体控制方案设计是采用工业控制计算机作为上位机，完成对整个机组工作过程的动态监控、状态管理、数据记录、系统管理、参数处理等功能。PLC 作为下位机用于完成对整个弯管生产过程中弯管角度
16、、主机速度、升降缸位移、加热温度、功率、电压、冷却喷淋、液压系统等的顺序控制。基于上下位机的中频加热液压弯管机系统图1.2.3 基于液压控制系统的自动U型弯管机CNC系统数控弯管机弯管效率高，管件质量稳定，可迅速提高机加车间的生产效率。特别适合大批量多种类管件生产。目前国内的锅炉制造厂家大部分仍采用手动弯管。该类的PLC控制系统可自动完成送管、置位、弯管、复位、翻身等操作；控制系统以PLC为核心，稳定可靠；步进电动机保证了送管的精度；触摸屏提供了更直观的人机界面基于PLC与步进电动机控制系统组成1.2.4 基于工业PC的CNC系统随着PC机功能的逐渐强大和完善。工业界己将PC机应用于自动化领域
17、，为了经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶劣工作环境的考验，生产商通过增加密封保护、过滤器、板压条和额外风扇等措施，形成了工业PC.在弯管机数控系统中，采用PC或工业PC主板作为CNC平台，通过在主板(或母板)上的PCI/ISA槽插入实现NC功能的各种模块，如运动控制卡、DA板、工/0板等等，构成具有高度灵活性的弯管机数控系统。充分利用Windows操作系统的资源和用高级语言编程，能够使数控软件系统的功能更强大。目前，常用的管材弯曲成形方法有绕弯、推弯、滚弯和压弯等，其中绕弯容易实现自动化，因此目前弯管机多以弯管为主。但是，由于绕弯需要将钢管缠绕在模轮上加工成形，而模轮的半径受到限制
18、的，因此在加大曲率的弯件时绕弯显得无能为力，而需要使用滚弯的方式。为了增加弯管机的柔性，必须将绕弯和滚弯集成到弯管机上，以实现从小曲率和大曲率管件的加工。随着数控技术和计算机技术的发展，管件成形也从手工、半自动化方式发展到数控全自动加工方式，并且，基于PC的开放式的数控系统也逐步替代了传统的专用的PLC数控系统。从实现结构上来看，基于PC的开放式数控系统大致分为4种结构形式：PC连接NC型，PC嵌入NC型，NC嵌入PC型和全软件型。1.3 设计思路本设计采用四个压电超声换能器组成传感器阵列测量风速，压电超声换能器体积小，工作电压较静电超声换能器小，工作频率范围可从20KHz至20GHz，频带较
19、静电超声换能器窄，但是用于固定近距离的风速测量完全可以满足要求。将四个超声换能器两两相对设置，轮流工作，测量两个不同方向的固定路径内的风速，用于风速风向信息的合成。由于设计要求室内微风传感器有尽量小的体积，因此超声换能器距离要小，同时超声速度也是很大的，在近距离测量渡越时间难度也是很大的，因此超声换能器距离又不能太小，设计时要综合各方面的因素。要测量近距离路径内的渡越时间，对开关控制电路反应的快速性要求很高，开关速率一定要足够快（开启时间足够短），且较易控制，因此采用高速的光电继电器是很好的选择，同时还可以通过开关控制电路将驱动电路与回波检测电路隔离开，避免驱动信号余振对回波检测电路造成干扰。
20、回波信号比较微弱，还有一定的噪声，因此要设置滤波电路和放大电路。最后将回波信号转换为高低电平的模拟数字信号引入单片机中断端口，用来计算渡越时间，可以通过比较器和设置合适的阈值电压实现。在硬件电路设计的基础上，采用串行通信方法将单片机与PC机相连，将渡越时间相关的输出数据发送到PC机内。由于控制信号和脉冲信号及渡越时间的测量均要求计时精确，因此单片机控制程序采用C语言和汇编语言混编方式。1.4 内容安排第一章 绪论，简单介绍了基于单片机的弯管机控制系统的研究意义和背景，总结了目前几种控制系统，整理了研究思路；第二章 基于单片机控制系统的弯管机的工作原理，介绍了控制器的工作原理，本设计所采用的压电
21、超声换能器的性能和结构设计，及风速测量的原理和方法；第三章 室内微风传感器硬件电路设计，详细介绍基于超声换能器的室内微风传感器的电路设计结构逻辑、工作过程和主要器件的性能；第四章 室内微风传感器软件设计，主要分析了控制过程的流程，通过实验验证其逻辑的正确性；第五章 总结与展望，分析了本设计的不足之处，对以后的改进工作提出意见。2 超声风速测量原理2.1 超声风速测量原理超声波（频率高于20KHz）是一种振动频率高于声波的机械波，可由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，它具有频率高、波长短、绕射现象小、能定向传播等特点。超声测风是超声波检测技术在气体介质中的一种应用它是利用超声波在空气中传播速度
22、受空气流动(风) 的影响来测量风速的。与常规的风杯或旋翼式风速仪相比这种测量方法的最大特点在于整个测风系统没有任何机械转动部件，属于无惯性测量，故能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分，结合现代计算机技术，可在更高层次上揭示自然风的特性对于提高抗风减灾能力和风资源的合理利用有重大意义。2.2 超声换能器工作原理超声换能器是利用超声波的特性研制而成的传感器，也叫超声传感器或超声探头，它能把高频电能转化为机械能的装置。一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出装置就可以产生超声波了。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换
23、器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。 2.3 40LPT16超声换能器图2.4 空间结构设计由四个超声换能器组成超声测量阵列如下图所示，每两个在立方体对角斜向相对放置，N-S、W-E传感器连线均与固定面成一定角度。在这种情况下，可测量二维平面信息。这样放置超声传感器的目的是减少传感器自身对所在平面内风速的阻挡作用，通过斜向渡越时间的测量，计算空间内均匀的风速。 3 室内微风传感器硬件电路设计3.1 硬件设计总体结构根据第二章所述原理，选择合适的器件完成硬件的设计，通过AT89S51单片机控制发射和接收，并计算渡越时间。将所得时间数据发
24、送到PC机上显示，具体框架如图3-1所示： 图3-1基本结构图图中超声换能器N-S共用一组开关-驱动电路和信号接收检测电路，当超声换能器N做为发射方，超声换能器S做为接收方时，信号流动方向为实线箭头方向，当超声换能器S做为发射方，超声换能器N做为接收方时信号经开关-驱动电路后沿虚线箭头（数字代表信号流动方向）流动，再经由信号接收检测电路后由单片机进行处理。AT89S51单片机控制四个超声换能器的发射和接收，并计算渡越时间，将数据发送到PC机上显示。图3-2室内微风传感器单路电路总体结构3.2AT89S51单片机与部分外围电路AT89S51是ATMEL公司出的兼容MCS-51的8位CPU单片机，
25、最大主频33MHz，完全能满足电路要求。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I
26、/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要特性如下： 4k Bytes Flash片内程序存储器； 128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）； 32个外部双向输入/输出（I/O）口；
27、2个中断优先级、2层中断嵌套中断； 5个中断源； 2个16位可编程定时器/计数器； 2个全双工串行通信口； 看门狗（WDT）电路； 片内振荡器和时钟电路； 与MCS-51兼容； 全静态工作：0Hz-33MHz； 三级程序存储器保密锁定； 可编程串行通道； 低功耗的闲置和掉电模式。图3-3中，开关RST和C0、R0构成复位电路，24MHz晶振和C1、C2给单片机提供基准时钟，机器周期为0.5s，它们与单片机一起构成了最小系统。设计需尽量将做到单片机电路的低功耗，因此将不用的I/O引脚设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。因为如果引脚没有初始化，可能会增大单片机的漏电流。图3-3单片机电路图3-
28、4电平转换电路3.3 超声风速测量电路3.3.1 光耦继电器和反相器光耦继电器是固态继电器的一种，一般继电器都是机械触点，靠通电流过线圈变成有磁性的磁铁吸合触点，从而控制开关状态。而光耦继电器工作原理类似于光耦。光耦继电器具有的优点有： 3.3.2开关驱动接收电路 图3-5开关驱动接收电路如图3-5中间部分为开关控制电路，AQW216光耦继电器的控制端con1+、con2+接高电平，con1-由单片机P2.0-2.3输出的控制信号控制，输出端与超声换能器相连。则控制信号为低电平时相应开关导通，超声换能器工作，同时控制信号经过反相器74LS04反相后控制con2-开关关断，相应超声换能器处于禁止
29、工作状态；控制信号为高电平时相应开关关断，超声换能器处于禁止工作状态，同时控制信号经过反相器74LS04反相后控制con2-开关导通，相应超声换能器工作。上面部分为发射驱动电路，场效应管选用IRF630，最大能承受200V的电压，最大电流9A。P1.4输出40KHz的脉冲信号控制IRF630的通断，在IRF630的漏极输出反向放大后的脉冲信号，经过隔直电容C9连到光耦继电器驱动超声换能器。隔直电容C9的作用是将直流高电平与控制电路隔离。下面部分为回波接收电路。由于40LPT16是收发一体的换能器，因此将回波接收电路与发射驱动电路分离出来，由两个二极管构成钳位电路，防止超声发射信号的幅值太大烧毁
30、后面的芯片。如图3-6为示波器检测到单片机脉冲信号和超声换能器端的驱动信号。 图3-6脉冲信号与超声换能器驱动信号3.3.3滤波电路超声回波信号幅值很小，换能器接收到的信号如果直接进行放大处理，容易同时放大一些干扰信号，给后期的回波检测造成麻烦。因此在换能器接收到回波后先通过滤波器滤波再送到运放单元。带通滤波器的设计原则是频带内的频率要以相同的比例通过，而信号频带外的干扰要能有效地抑制。因此，要求该滤波器频带内响应要尽可能平坦，上下界衰减要尽量陡峭。品质因数Q是带通滤波器好坏的一个重要指标，一般Q值越高，带宽越窄，陡度系数越高，滤波性能越好。由于RC有源滤波器同无源滤波器相比，品质因数高，且输
31、入阻抗高，输出阻抗低，使输入和输出之间有良好的隔离性能，对信号不衰减，甚至还可以放大，具有一定的带负载能力，增益容易调节，所以本设计采用有源滤波器。常用的滤波器有巴特沃兹(Butterworth)型、切比雪夫型(Chebyshev)型、椭圆型(Elliptic)型滤波器。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。巴特沃兹滤波器在通带和阻带内都具有最平坦的振幅特性，且随着频率增大单调下降。因此选用巴特沃兹型RC有源滤波器。普通有源滤波器由运算放大器和电阻、电容组成，通过一个
32、低通滤波器与一个高通滤波器的级联实现。但参数调整困难，元件周围的分布电容容易影响滤波器的特性，而且较难实现窄带宽的设计，不易获得高Q值，难以满足系统的要求。本设计选用了MAXIM公司推出的专用模拟集成有源滤波器MAX275芯片。图3-7MAX275内部二阶有源滤波器MAX275内含两个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，中心频率/截止频率可达300KHz。MAX275内部的二阶有源滤波器如图3-7所示。由图可见，该电路采用四运放设计，运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，可同时提供低通和带通滤波输出。电路内部最后一级运放的输入端接有一个5k
33、W电阻，作用是避免外部寄生电容对内部积分电容产生影响。外部电路不需要接电容或者电感，只需要选取适当的电阻就能设计出满意的滤波器。用MAX275设计四阶巴特沃兹带通滤波器时，电阻取值由以下公式决定。 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)其中，是用于带通滤波，中心频率为时管脚BPO处的增益；的值与FC的连线相关，如表3-1所示。具体连接电路图见图3-8。为了通过完整的波形，采用了2.5V的电压偏置，V+接5V，V-接地。取，Q=10，则滤波器总体增益为400（如增益不太合适，可将电阻R25和R30换成可调电阻，根据信号大小设定增益）。由表3-1可知的值为1/5，根据以上公式可以求出R1=
34、5k，R2=50k，R3=100k，R4=45k。表3-1FC与取值关系21FC引脚接V+4/1接GND1/5接V-1/25图3-8MAX275滤波器电路连接图具体连接电路图见图3-8。为了通过完整的波形，采用了2.5V的电压偏置，V+接5V，V-接地。取，Q=10，则滤波器总体增益为400（如增益不太合适，可将电阻R25和R30换成可调电阻，根据信号大小设定增益）。由表3-1可知的值为1/5，根据以上公式可以求出R1=5k，R2=50k，R3=100k，R4=45k。实际电路中为了方便选取R1=5.1k。实际电路中由于电阻值不准确等因素，最后确定的电阻值与计算值有一定的偏差。用示波器测量滤波
35、器输出端，测得波形如图3-9所示。图3-9脉冲信号与滤波器输出端实际波形3.3.4比例放大电路图3-10比例放大电路图3-11脉冲信号与比例放大电路输出端实际波形回波信号经过MAX275滤波放大后幅值仍然比较小，需要进一步放大。因此采用NE5532搭建了一个比例放大电路，具体电路见图3-10，增益可以通过R36调节，电路中取R22为200kW可调电阻，可以根据信号大小调节放大倍数。增加电容C15将上一环节输出信号隔直，增加电容C16是为了避免运放自激振荡。3.3.5回波检测电路图3-12比较器电路图3-13分压电路图3-14经过比较器后的回波信号3.3.6TL431电压偏置电路由于MAX275
36、滤波器和运放NE5532都是使用+5V单电源供电，为了保留完整的回波信号，需要给它们提供2.5V的偏置电压。三端可调基准电压源TL43117的动态稳压效果好，稳压精度很高，采用图3-15的连接方式时，管脚1输出的电压就是2.5V。图3-15TL431 2.5V电压偏置电路3.4小结本章介绍了室内微风传感器的硬件设计，并对电路各个模块和单片机电路做了详细介绍，基本可以达到测量风速风向信息的要求。其中各部分电路均有滤波电容，其作用是使滤波后输出电压为较稳定的直流电压，工作原理是在输入信号电压高于电容电压时电容充电，输入信号电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中，使输出电压趋于稳定。 电源处用
37、两个并联电容滤波，两者电容值数量级之差应不小于102。大电容防止浪涌，小电容滤高频干扰。_第41页，共46页4 室内微风传感器软件设计4.1串行通讯串行通讯的特点是：数据位传送，按位顺序进行，只需一或两根传输线即可完成，成本低但发送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。串行通信的数据或字符是一帧一帧的传送的，在异步通信中，一帧数据先用一个起始位“0”表示字符的开始，然后是58位数据
38、，即该字符的代码，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位（可省略），最后一个停止位“1”表示字符的结束。在同步通信中，发送方在数据或字符前面用12个字节同步字符指示一帧的开始，同步字符是双方约定好的，接收方一到那检测到与规定的同步字符符合就开始接收，发送方接着连续按顺序传送n个数据。当n个数据发送完毕，发送12个字节的校验码，由时钟来实现发送端和接收端同步。在单片机中，主要使用异步通讯方式。本设计采用的是RS-232C串行通信接口。串行通信接口的基本任务19是实现数据格式化，进行串行数据与并行数据的转换，控制数据的传输速率，进行传送错误检测。其中控制数据的传输速率即应具有波特率发生器，实现
39、波特率的控制选择能力。波特率是通信中对数据传送速率的规定。其定义为每秒钟传送多少位二进制数。在PC机内接有PC16550串行接口、EIA-TTL电平转换器和RS-232C连接器，其中COM1和COM2串行口是留给用户的，通过这两个串行口就可以和单片机进行串行通信。由于单片机的串行发送和接收线TXD和RXD是TTL电平，而COM1或COM2的RS-232C连接器（D型九针插座）是EIA电平，因此单片机需加接MAX232芯片，通过串行电缆和PC相连接。新型电平转换芯片MAX232，可以实现TTL电平与RS-232电平双向转换。MAX232内部有电压增倍电路和转换电路，仅需外接5个电容和+5V电源便
40、可工作，使用十分方便（如图3-4）。4.2风速测量软件设计流程室内微风传感器单片机软件在Keil uVision2的平台上开发，Keil uVision2是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机软件开发系统，可以进行软件仿真调试，支持汇编和C语言混合编程。由于单片机使用24MHz的晶振，每个指令周期需要的时间为0.5s，要产生40KHz的脉冲波形需要50个指令周期，设置高电平为25个指令周期。为了产生精确的脉冲信号，采用汇编语言编写脉冲产生部分的程序。为了使程序运行更加稳定，在程序开始采用较长延时，延时子函数采用汇编语言，由于延时时间较长，采用双循环结构。在脉冲信号之前需提
41、前发控制信号使开关打开，提前的时间与开关信号开启时间大致相等即可，脉冲信号之后为使信号发射完全需延时一定时间再关断开关。这些延时程序均采用汇编语言，以使计时更加精确。其余程序采用C语言编程，具体流程如图4-1。为减小中断捕获低电平所需捕获时间造成的计时误差，单个超声换能器的测距过程要循环十次，即测量路径渡越时间的十倍，因此设置单个超声换能器测距循环次数标号k，初值为10，在中断程序中设置回波接收标号flag，当循环过程未完成即k未减为零时，进入中断将k的值减1，将flag置为1后直接退出中断继续循环过程，当循环过程完成k减为零时再停止计时过程，计算本次的十倍渡越时间，将渡越时间个数标号i（初值
42、为4）减1，当i减为零时一轮测量结束，发送四个渡越时间数据（8个十六进制数，高位在前低位在后）。超声换能器的选择很重要，通过设置控制信号输出端口标志位m来实现这一过程。置m的初值为1，则其二进制八位数的末位为1，其它位均为零。一轮测量开始时将P2设置为全低电平输出后将其值与m相或，这样相应位控制信号输出就变为高电平，关闭控制信号时再将P2设置为全低电平输出。当一个渡越时间测量完毕需要选择下一个超声换能器时，将m循环左移一位，再将P2的值与m相或，就达到了控制信号选择下一个超声换能器的目的。当一轮四个渡越时间测量完成的时候，将m（此时m的值应为16，即二进制的00010000）重新置为1，开始新
43、一轮测量过程。定时器T0工作在模式1下，作为16位计数器使用。T0用于记录接收回波的时间，减去初值就得到渡越时间。如果在T0溢出前没有收到回波信号，就认为回波检测超时，在T0中断程序里关闭外部中断，将渡越时间直接赋值，然后进行下一个渡越时间测量。四个超声换能器采用轮流工作的方式，每一个渡越时间测量结束后，结束标志位Flag置1，将测得的距离数据存入数组中。中断程序流程如图4-2所示。图4-1室内微风传感器单片机软件流程图图4-2中断程序流程图发送数据采用查询方式，波特率设置为9600波特，串行口工作在方式1（波特率可变10位异步通信方式），以TXD为串行数据的发送端，RXD为数据的接收端，每帧
44、数据为10位：1个起始位“0”、8个数据位、1个停止位“1”。其中，其实为何停止位在发送时是自动插入的。由T1提供移位时钟，工作在方式2，由波特率的计算公式： (4-1)式中SMOD为电源控制寄存器PCON的波特率加倍位，为0时不加倍，为1时波特率增加一倍，为系统时钟。由式(4-1)可计算出T1的计数初值X。4.3实验结果试验结果如下面图中所示，实际试验中暂时只连接了一对超声换能器。由于电源电压不稳，实验板焊接连线较多，裸露部分造成的分布电容、电感对电路稳定性有影响，单片机输出信号也不太稳定等因素，使比较器输出波形也不是很稳定，因此对输出数据造成了一定影响。在软件中可以在单个渡越时间测定之前增
45、加发射几个脉冲信号，在脉冲信号输出较稳定之后再进行渡越时间的测定。图4-3单片机单独调试时数据接收页面图4-4单片机电路与超声换能器电路连接时数据接收页面4.4小结本章详细介绍了串行通信和单片机软件程序流程，分析了软件执行过程，并用实验结果验证了逻辑的合理性和正确性。结 论本文主要介绍了基于超声换能器和单片机的室内微风传感器的风速测量原理，硬件电路设计及单片机软件设计，并用实验验证了硬件电路和单片机软件逻辑的合理性和正确性。由于实验条件限制，对风速测量的准确性和实时性需要进一步的改进。由于单片机晶振为24MHz，则中断端口捕捉一次低电平需要两个机器周期即1s的时间。而在室内微风传感器设计要尽量做到小体积的前提下，一对超声传感器的距离越小越好（本设计暂定为10cm左右），这样单程测量的渡越时间约为300s，而要想通过渡越时间计算出精确到0.1m/s的风速，就需要渡越时间测量至少精确到0.1s，因此1s的捕获时间显然太大了。针对这种设计中的
