1、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 月长春理工大学毕业设计摘 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、
2、显示、传输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 Abstract Attached more and more importance in todays meteorology, meteorological data collection is more important. Meteorological data wind speed is an important parame
3、ter, its 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 bod
4、y measured 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 modifica
5、tion can 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长春理工大学毕业设计I目 录第一章 引 言 .11.1 风速测量装置概述 .11
6、.2 基于单片机设计风速测量仪的优点 .1第二章 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
7、电路 .24结 论 .25参考文献 .26致 谢 .27附 录： .28长春理工大学毕业设计1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，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
8、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
9、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
10、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测长春理工大学毕业设计2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
11、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，本文设计了基于单片机的风速仪。长春理工大学毕业设计3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。
12、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。首先测量转速，可由下式计算： Nn=tZ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： tNZRnV2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
13、。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，长春理工大学毕业设计4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：
14、GATE C/TM1 M0 GATE C/TM1 M0用于定时/计数器 1 用于定时/ 计数器 0当 /=0 时为定时方式， /T=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 INT1和 0，当 INTX引脚上出现一个负跳变时引起中断，在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C/：选择定时或计数模式。当 C/T=1 时为计数模式，当 C/T=0 时为定时模式GATE：选通控制。当 GAT
15、E=1 时只有当 端口为高电平且 TRx 置位为 1 时才选m2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：长春理工大学毕业设计5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
16、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，故对简易模型便不详细介绍，在设计模型的过程中，其关键点是在转子上的某个半球型的扇叶上有一个小的风向舵。在风速计旋转中, 这个风向舵根据其与风向的相对位置不同, 便产生加速度或减速度。如果我们假设一个与风向有关的参考角度在固定部件上, 使用两个互成角的传感器,就能够判定风的方向。其计算方法是首先测量每个传感器在转子转动一周中各传感器的速度平均值。而风向的每次变化将会引起两个传感器平均值的变化。然后对照与两个输入信号对应的角度参考表。单片机就能够计算并显示风向的角度以度表示。长春理工大学毕业设计6第三章 传感器的工作原理及实现方法3.1
17、 传感器工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。图 3-1 传感器工作原理图发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返
18、回，具有实用意义。它可以在与光轴 0 到 25 的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件( 光学测控系统) 输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光
19、电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式( 光束阻档) 三大类 .所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光长春理工大学毕业设计7能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.3.2 红外传感计数器的原理为了实现该测量装置的便携性，减少外围设备和本身
20、装置的体积，本设计采用脉冲式风速测量传感器作为该装置的风速采集传感器。脉冲式风速传感器的最大优点是原理简单、体积小、质量小，同时能够将风速模拟量直接转换成电子脉冲数，因其与单片机相连，只要在程序中建立“数”脉冲的程序，就能方便地实现风速的测量，省去了一般风速传感器还需要配置的转换模块的程序，大大提高了检测装置的便携性。脉冲式风速检测传感器的基本工作原理是风速带动感应元件叶片转动，叶片转动引发光电编码器输出脉冲信号，通过对单位时间内脉冲信号的计数，实现风速的测量。3.3 红外传感计数器检测方法传感器采用工程塑料叶片作为感应元件，当有风吹过时，带动叶片跟着转动，通过叶片轴部的光电编码器对转动的圈数进行标记和计数，同时每转动一圈，光电编码器输出一个阶跃脉冲信号，通过设计将光电编码器的输出与主单片机的输入管脚连接在一起，通过单片机内部的计数器即可实现对阶跃脉冲信号的计数，从而实现风速的测量，同时，也省略了转换模块，简化了风速检测系统的外围电路
