【正文】 ..28 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 引 言 風(fēng)速 測 量 裝置概述 風(fēng)力發(fā)電已成為當(dāng)今世界的主流能源之一。目前，風(fēng)力發(fā)電 已成為世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化、市場競爭力最強(qiáng)的可再生能源技術(shù)之一，與太陽能和生物能源等其他可再生能源發(fā)電技術(shù)相比，風(fēng)能具有產(chǎn)業(yè)成熟度高、發(fā)電成本低、自然環(huán)境和社會環(huán)境影響好等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電占用土地資源少，資金回收期短，一般不會產(chǎn)生明顯的自然生態(tài)影響，在社會上引起的爭議很少，能較快實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展。在對氣象學(xué)越加重視的今天，氣象數(shù)據(jù)的采集更顯重要。風(fēng)速是氣象數(shù)據(jù)中的一個(gè)重要的參數(shù)，對它的測量，將會極大的影響到氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，風(fēng)速的測量也被日益重視起來。對于風(fēng)速的采集與測量，不同的應(yīng)用 場合有不同的測量方法，常見的方式有：采用皮托管測量風(fēng)速，其基本原理是通過測量風(fēng)速經(jīng)過時(shí)在皮托管上的靜壓與動壓之差來計(jì)算風(fēng)速；采用熱氣球測量風(fēng)速，其基本原理是通過測量風(fēng)在吹過熱氣球時(shí)氣球的振動頻率，進(jìn)而換算出風(fēng)速等。風(fēng)速測量的基本原理大致相似，都是通過某個(gè)敏感元件的某個(gè)特征量的變化來計(jì)算獲得風(fēng)速，只是存在測量精度上的區(qū)別?，F(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場控制過程中，常常需要對現(xiàn)場的風(fēng)速進(jìn)行采集與檢測，通常的做法是采用風(fēng)速儀，通過記錄風(fēng)速儀上的葉片因風(fēng)轉(zhuǎn)動而引起的脈沖數(shù)，再通過程序轉(zhuǎn)換成葉片的轉(zhuǎn)圈數(shù)，進(jìn)而換算成風(fēng)速，將信號接入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的數(shù)據(jù)回放或曲線顯示。這樣的風(fēng)速采集系統(tǒng)原理簡單，成本不高，但其最大的缺陷是采集系統(tǒng)體積龐大、機(jī)動性差，對于需要測量多點(diǎn)風(fēng)速的場合并不適用，若采取各點(diǎn)均布置風(fēng)速傳感器的方案，則成本會大幅上升，控制方案也會變得復(fù)雜，因此，傳統(tǒng)的風(fēng)速采集系統(tǒng)由于不具備便攜性而無法應(yīng)用于多點(diǎn)風(fēng)速采集測量的場合。本文的設(shè)計(jì)旨在解決這一突出問題。該設(shè)計(jì)的基本原理是將風(fēng)速的感應(yīng)裝置（傳感器）與采集運(yùn)算系統(tǒng)合而為一，為該裝置設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，同時(shí)留出數(shù)據(jù)傳輸接口，在必要時(shí)可以方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移 與后期處理。 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)速 測量 儀的優(yōu)點(diǎn) 風(fēng)速、風(fēng)力的測量在某些行業(yè)，譬如煤炭，飛機(jī)，汽車，電力等都十分重要。最初 的風(fēng)速儀 ，靠人工測量，精度差，數(shù)據(jù)不及時(shí)。目前，國內(nèi)使用 的風(fēng)速儀， 多數(shù)沿用機(jī)械傳動，靈敏度低，誤差大，對于較多的測風(fēng)點(diǎn)常采用一個(gè)計(jì)數(shù)器測量，長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 而野外自然風(fēng)陣性變化較大，這樣會引起失真和較大誤差?；趩纹瑱C(jī) 的風(fēng)速儀 ，可以克服目前風(fēng)速儀的弊端，作為目 前風(fēng)速儀 的有益補(bǔ)充。 風(fēng)速傳感器將測得的風(fēng)速直接轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸入單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、存儲和顯示，同時(shí)預(yù)留出與ＰＣ機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?接口（ＵＳＢ接口或串行通信２３２接口）。這樣即可將風(fēng)速測量系統(tǒng)與后期的數(shù)據(jù)采集、處理、運(yùn)算結(jié)合在一起，與ＰＣ機(jī)的聯(lián)系斷開，實(shí)現(xiàn)了可移動性測量，具有一定的便攜性。 本系統(tǒng)借助傳統(tǒng)風(fēng)速儀測量設(shè)備，以單片機(jī)為處理信號的工具，使風(fēng)速的測量精確，及時(shí)。并且，由于單片機(jī)的使用，使本設(shè)計(jì)的體積較小，適合外出攜帶，操作方便，可推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的風(fēng)速儀。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第二章 設(shè)計(jì)原理 風(fēng)速測量儀設(shè)計(jì)原理 測量的系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 圖 1 測量系統(tǒng)框圖 圖中傳感器部分包括金屬圓盤和紅外光電開關(guān)。金屬圓盤上均勻的開出 60~360個(gè)槽，固定在旋轉(zhuǎn)軸上。旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一圈紅外光電開關(guān)便可以輸出 60~360 個(gè)脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過整形放大，送給 mega16 單片機(jī)進(jìn)行處理，便可顯示結(jié)果。Mega16 單片機(jī)屬于 MEGA 系列單片機(jī)是功能極強(qiáng)的 16 位高檔單片機(jī)，它既適用于簡單的測控系統(tǒng)，又適 用于復(fù)雜的測控系統(tǒng)，他的性價(jià)比高，組成應(yīng)用系統(tǒng)靈活。 Mega16 單片機(jī)在這里的作用是采樣信號脈沖，并按照一定的計(jì)算公式求得所需要的被測量。首先測量轉(zhuǎn)速，可由下式計(jì)算： Nn=tZ? 其中： n—— 轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn) /秒 Z—— 金屬圓盤開槽數(shù) t—— 采樣時(shí)間 , 后文中或稱為閘門時(shí)間，單位：秒 N—— 在閘門時(shí)間內(nèi)傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù) 在測量旋轉(zhuǎn)軸徑向某點(diǎn)的線速度，即所求 風(fēng)速： tNZRRnV ?? 22 ?? 其中： v—— 線速度，單位：米 /秒 R—— 被測點(diǎn)距軸心的距離即金屬盤半徑，單位：米 由于采用單片機(jī)進(jìn)行處理，使其比采用數(shù)字電路成本更低，精度更高。關(guān)鍵是本設(shè)計(jì)可以擴(kuò)充幾個(gè)功能，使其在生產(chǎn)運(yùn)用上更加方便。比如，可以設(shè)定轉(zhuǎn)速上下限報(bào)警。加入控制信號，可以選側(cè)測量的數(shù)值為瞬時(shí)速度，或者為平均速度，這樣可以進(jìn)一步計(jì)算出瞬時(shí)加速度，并且可以保存一段時(shí)間的測量平均值等等。 由上述兩測量公式可知，對于某一確定系統(tǒng)， Z 和 R 都是常量，因此測量轉(zhuǎn)速 n或線速度 v 需要測量的只有兩個(gè)量 —— 閘門時(shí)間 t 和在 t 時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖個(gè)數(shù) N。傳感器 整形放大 單片機(jī)處理 輸出結(jié)果 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 mega16 單片機(jī)內(nèi)含有 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 ，既可以對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)產(chǎn)生定時(shí)信號，也可以對外部輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。其數(shù)控方式如下： 表 1 數(shù)控方式表 TMOD： GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 用于定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 用于定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 當(dāng) C/T =0 時(shí)為定時(shí)方式， C/T =1 時(shí)為計(jì)數(shù)方式，本系統(tǒng)中 mega16 的兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器皆工作于 8 位定時(shí)方式，用于產(chǎn)生測量的閘門時(shí)間，對信號脈沖的計(jì)數(shù)則由軟件完成，即兩路傳感器輸出接入 mega16 的兩個(gè)外部中斷輸入引腳 INT1 和 INT0 ，當(dāng)INTX 引腳上出現(xiàn)一個(gè)負(fù)跳變時(shí)引起中斷，在中斷服務(wù)程序中計(jì)數(shù)輸入脈沖個(gè)數(shù)，具體如下： M1M0=01 時(shí)處在工作方式 1 為 8 位計(jì)數(shù)器 C/T ：選擇定時(shí)或計(jì)數(shù)模式。當(dāng) C/T =1 時(shí)為計(jì)數(shù)模式，當(dāng) C/T =0 時(shí)為定時(shí)模式 GATE：選通控制。當(dāng) GATE=1 時(shí)只有當(dāng) m2 端口為高電平且 TRx 置位為 1 時(shí)才選通定時(shí) /計(jì)數(shù)器 x；當(dāng) GATE=0 時(shí)，只需 TRx 置位為 1，即選通定時(shí) /計(jì)數(shù)器 x。 PD2 和 PD3 分別是外部中斷 0，中斷 1 請求端口，低電平有效。當(dāng) I/O 端口作為輸入使用時(shí)，需要先向端口寫入“ 1”使內(nèi)部的 FET 截止，再讀入引腳狀態(tài)。 風(fēng)速測量儀模型 市場上風(fēng)速測量儀產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，不僅測量精度高，易于操作，體積小，便于攜帶，而且產(chǎn)品兼容了很多功能，例如測量風(fēng)向、氣溫、空氣濕度等等，其外形小巧美觀， 功能強(qiáng)大， 如下圖：長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 現(xiàn)代風(fēng)速測量儀產(chǎn)品展示 本設(shè)計(jì)目的是研究基于 AVR 單片機(jī)的數(shù)字紅外風(fēng)速測量儀， 故將重點(diǎn)放在風(fēng)速儀的電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)上，故對簡易模型便不詳細(xì)介紹，在設(shè)計(jì)模型的過程中，其 關(guān)鍵點(diǎn)是在轉(zhuǎn)子上的某個(gè)半球型的扇葉上有一個(gè)小的風(fēng)向舵。在風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)中 , 這個(gè)風(fēng)向舵根據(jù)其與風(fēng)向的相對位置不同 , 便產(chǎn)生加速度或減速度。如果我們假設(shè)一個(gè)與風(fēng)向有關(guān)的參考角度在固定部件上 , 使用兩個(gè)互成角的傳感器 ,就能夠判定風(fēng)的方向。其計(jì)算方法是首先測量每個(gè)傳感器在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周中各傳感器的速度平均值。而風(fēng)向的每次變化將會引起兩個(gè)傳感器平均值的變化。然后對照與兩個(gè)輸入信號對應(yīng)的角度參考表。 單片機(jī) 就能夠計(jì)算并顯示風(fēng)向的角度以度表示。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第三章 傳 感器的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法 傳感器工作原理 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí) 現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。 圖 31 傳感器工作原理圖 發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電 池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。 此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸 0 到 25 的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器 .它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化 ,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號 .光電傳感器一般由光 源 ,光學(xué)通路和光電元件三部分組成 .光電檢測方法具有精度高 ,反應(yīng)快 ,非接觸等優(yōu)點(diǎn) ,而且可測參數(shù)多 ,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單 ,形式靈活多樣 ,因此 ,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛 . 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的 ,按光電元件 (光學(xué)測控系統(tǒng) )輸出量性質(zhì)可分二類 ,即模擬式光電傳感器和脈沖 (開關(guān) )式光電傳感器 .模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流 ,它與被測量間呈單值關(guān)系 .模擬式光電傳感器按被測量 (檢測目標(biāo)物體 )方法可分為透射 (吸收 )式 ,漫反射式 ,遮光式 (光束阻檔 )三大類 .所 謂透射式是指被測物體放在光路中 ,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物 ,部份被吸收后 ,透射光投射到光電元件上 。所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上 ,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上 。所謂遮光式長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份 ,使投射剄光電元件上的光通量改變 ,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān) . 紅外傳感計(jì)數(shù)器的原理 為了實(shí)現(xiàn)該測量裝置的便攜性，減少外圍設(shè)備和本身 裝置的體積，本設(shè)計(jì) 采用脈沖式風(fēng)速測量傳感器作為該裝置的風(fēng)速