毕业设计-基于AT89S52单片机的风速测量仪的设计.doc

华北科技学院毕业设计（论文） 基于at89s52单片机的风速测量仪的设计综述风，特别是井下安全生产中具有重要参考意义，作为气象环境中最活跃的因素，对战争的胜败，武器性能的发挥有着举足轻重的影响风能的利用，也要求人们对风速资源进行长时间的准确监测。当前，风速测量的仪器主要有热线式、热膜式、以及风杯式三种。这几种原理的风速仪测量精度低、范围小、测量周期长、持续工作时间短，且测量结果易受外部环境因素的影响。因此不能满足高效、快速、准确的现代化军事和长时间工作、智能化数据处理的风场监测的需求。本设计采用压电式超声波换能器，使用at89s52单片机作为控制器，完成了超声波风速测量仪的软硬件设计。采用汇编语言编程的方法，实现了测量结果的计算和显示。设计完成后能做到，led数码显示清晰稳定，测量结果稳定可靠，测距仪最大误差不超过0.05m/s。系统硬件电路的设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、键盘，温度补偿电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用89s52或其兼容系列。采用11.0592mhz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。系统采用555定时器产生145khz的方波信号，利用计数t1口监测超声波接收电路整形滤波后输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阴极led数码管，段码用电阻器驱动，位码用pnp三极管8550驱动。超声波发射电路发射电路主要由555定时器，74ls123构成的单稳态触发电路、放大环节，和超声波发射换能器t构成，lm555多谐振荡器端口3输出的145khz的方波信号一路经触发电路，放大电路后送到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用加入耦合电容c4，用以提高发射驱动能力。上位电阻r6一方面可以提高三极管的放大输出能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的 。超声波换能器内部结构在下文中有介绍，它有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志t和r。超声波检测接收电路压电式超声波换能器s将收到的超声信号转换成电信号，并经r7、r8、r9、c5、c6和1/4 lm324组成的选频放大电路放大后，送检波电路dl、c7、r10进行包络检波，检出涡街信号。涡街信号在电压比较器和rc滤波电路构成的整形滤波环节中与输入的基准电压1/2vcc作比较，被整形为与风速成正比的矩形波，信号周期随检波信号变化而变化。超声波风速测量仪的软件设计主要由主程序，超声波接收程序及显示，键盘子程序，温度补偿子程序组成。我们知道汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波风速测量仪的程序要求精细计算（单位时间内的整形完成的超声波矩形方波个数时），所以控制程序采用汇编语言混合编程。超声波测距仪的算法设计 超声波风速传感器是利用穿过空气的超声波被旋涡调制，从已调波中检出旋涡频率来测定风速的。f、s为一对谐振频率相同的超声波换能器，f为发射换能器，发射145 khz等幅超声波；s为接收换能器，接收被旋涡调制了的声波。当无旋涡时，接收换能器s接收到等幅波信号；有旋涡时，由于旋涡内部的压力梯度和旋涡的旋转运动，导致了超声波的折射、反射和吸收效应，使接收到的信号幅度减小。旋涡通过声束后，接收到的信号又恢复常态。因此，超声波幅度变化频率与旋涡的频率一致，从接收换能器上检测出超声波束幅度变化次数即可测得风速值。基本计算公式为：f旋涡频率，hz ；v气流速度，ms ；d旋涡发生体直径，mm；st斯特拉哈尔系数(雷诺数在20050 000范围内，st为常数)。超声波旋涡式风速传感器与其它形式的风速传感器相比具有如下优点：(1)无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；(2)输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高；(3)输出信号不受流体特性(温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等)影响。此类传感器在煤矿安全监控系统中有着广泛的应用前景。关键词：风速测量；卡曼涡街；单片机at89c52；温度补偿viithe design of ultrasonic wind meter based on scmsummary: wind, especially mine safety has important reference value, as the meteorological environment, the most active factor, the victory of the war, weapons performance to play a decisive effect on the use of wind energy, wind resources also requires that there be lengthyaccurate monitoring.at present, the wind speed measurement apparatus main hot wire, hot-film, and the wind cup of three.this principle of wind speed measured several low precision, range of small, measuring cycle is long, continuous working hours, and the measurement results vulnerable to external environmental factors.can not meet the efficient, rapid and accurate modern military and long working hours, intelligent data processing, the demand for wind monitoring. this design uses piezoelectric ultrasonic transducer, using at89s52 mcu as controller to complete the ultrasonic velocity meter hardware and software design.assembly language programming method used to achieve the measurement results of the calculation and display.design can be completed, led digital display clear and stable, reliable measurements, range finder error is less than 0.05m / s. system hardware design the hardware design includes single chip systems and display circuit, keyboard, temperature compensation circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver circuit of three parts.microcontroller 89s52 or compatible with series.11.0592mhz crystal with high precision in order to obtain a stable clock frequency, reducing measurement error.system uses the 555 timer 145khz square wave signal generated using the count of t1 port monitoring ultrasonic receiver circuit to return plastic filtered output signal.display circuit using a simple and practical four common cathode led digital tubes, with 74hc244 driver code segment, bit code with the pnp transistor 8550 drives. ultrasonic transmitter transmitter mainly by the 555 timer, 74ls123 monostable trigger circuit formed, enlarged links, and ultrasonic emission transducer t form, lm555 multivibrator port 3 output 145khz square wave signal all the way through trigger circuit, amplifier circuitultrasonic transducer is sent to both ends, can increase the emission intensity ultrasound.by adding the output coupling capacitor c4, launching drives to increase capacity.upper resistor r6 on the one hand can increase the output capacity of the amplification transistor, on the other hand can increase the ultrasonic transducer damping effect, shorten the time of its free oscillations.piezoelectric ultrasonic transducers is the use of piezoelectric crystal resonance to the work.the internal structure of ultrasonic transducers are introduced below, it has two chips, and a piezoelectric transducer plate.when its poles plus pulse signal, the frequency is equal to the natural oscillation frequency of the piezoelectric chip, the piezoelectric resonance occurs, and promote the vibration of ultrasonic resonance board, then it is an ultrasonic generator; the other hand, if the two electrodesno applied voltage, when the board receives the ultrasonic resonance, it will be pressure for piezoelectric vibration, the mechanical energy is converted to electrical signals, then it becomes an ultrasonic receiver transducer.ultrasonic emission transducer and receiver transducer is slightly different in structure, use the device on the signs should be to distinguish between t and r. ultrasonic detection receiving circuit piezoelectric ultrasonic transducer s will receive the ultrasonic signals into electrical signals, and by r7, r8, r9, c5, c6, and 1 / 4 lm324 amplifier circuit composed of frequency selective amplification, the submission wave circuits dl, c7, r10 enveloping, vortex signal detection.vortex signal in the hysteresis voltage comparator and rc rate than plastic filter circuit composed of the input links of the reference voltage 1/2vcc comparison with the wind speed is proportional to the plastic rectangular wave signal period varies with the detection signal. ultrasonic wind speed measuring instrument software design mainly by the main program, ultrasonic receiving procedures and display, keyboard subroutine, temperature compensation subprogram.we know the assembly language program is a high efficient and easy to run precise calculation of the time, and ultrasonic velocity measurement instrument procedures require precise calculations (per unit time to complete the ultrasonic plastic rectangle when the number of square wave), the control programmixed programming using assembly language. ultrasonic range finder algorithm ultrasonic wind sensor is the use of ultrasound through the air by the vortex modulation, has been transferred from the vortex frequency waves were detected to determine wind speed.f, s is a pair of the same resonant frequency ultrasonic transducer, f for the launching transducer, emission 145 khz ultrasonic amplitude; s transducer for the receiver to receive sound waves modulated by the vortex.when no vortex, the receiving transducer receives the amplitude s wave signal; a vortex, because of the pressure gradient within the vortex and the vortex rotation, leading to ultrasonic refraction, reflection and absorption effects, so that the received signal amplitudereduced.vortex through the beam, the received signal is back to normal.therefore, the ultrasonic frequency and amplitude changes in the frequency of vortex line, from the receiving transducer to detect changes in frequency ultrasonic beam amplitude can be measured wind speed values.basic formula is:f = st * v / d f - vortex frequency, hz; v - flow velocity, m / s; d - bluff body diameter, mm; st - coefficient (reynolds number in the range of 200 to 50 000, st is a constant). ultrasonic vortex wind speed sensor and compared to other forms of wind speed sensor has the following advantages:(1) no moving parts, no mechanical wear, stable performance, long life;(2) the output itself is a linear relationship between wind velocity and pulse frequency signals, no zero drift, and the sensor sensitivity change would not directly affect output, high accuracy;(3) the output signal from fluid properties (temperature, humidity, pressure, composition, density, viscosity, mineral dust, etc.) affected.such sensors in coal mine safety monitoring system has wide application prospects.key words: wind speed measurement; karman vortex street; scm at89c52; temperature compensation目录综述.isummary.iv第1章 绪论.1 1.1课题的背景和意义及任务.1 1.1.1 课题的背景意义.1 1.1.2 课题的任务.1 1.2 国内外超声波风速仪的现状.1 1.2.1 国外风速仪的现状.1 1.2.2 国内测距仪的现状.2 1.3 超声波风速仪的研究内容.3第2章 超声波风速仪测量原理及其总体设计.4 2.1 超声波风速仪原理.4 2.1.1 风速测量原理.4 2.1.2 超声波风速测量的理论分析.5 2.2 超声波传感器工作原理.6 2.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理.6 2.2.2 超声波传感器的基本特性.7 2.3 超声波测距的总体设计.9 2.3.1总体设计思想.9 2.3.2工作过程.10第3章 系统结构及其硬件设计.11 3.1 单片机系统及复位电路设计.11 3.1.1 单片机at89s52的结构.11 3.1.2 单片机系统及复位电路设计.16 3.2 报警电路.17 3.3 显示电路设计.18 3.4 超声波发射电路设计.18 3.4.1 lm555定时器.19 3.4.2 74ls123单稳态触发电路.20 3.4.3 三极管放大电路.22 3.4.4 超声波发射换能器.22 3.5 超声波检测接收电路设计.23 3.5.1 多反馈型滤波器.24 3.5.2 包络检波，opa积分器，rc高通滤波.25 3.5.3 电压比较器的施密特接法.28 3.6 键盘.30第4章 软件设计.32 4.1 主程序.32 4.2 超声波接收子程序.34 4.3 显示子程序.36 4.4 键盘子程序.37 4.5 计算子程序.39第5章 抗干扰处理.41 5.1 硬件抗干扰处理.41 5.2 软件抗干扰处理.43总结.44参考文献.45致谢.46附录a.47附录b.52第1章 绪论1.1课题的背景和意义及任务1.1.1 课题的背景意义 计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的重要组成部分，它与国民经济、国防建设、学研究有着密切的关系。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。 利用超声波风速流量计来测量生产过程中的重要参数-风速，特别是使井下通风量得到保证，保证安全生产。此外在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测。 本设计提供基于卡曼涡街原理的超声波风速测量装置，该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和单片机微处理器。超声波传感器在流动空气介质中收，发超声波，检测频率发生变化的矩形方波，通过计算式来求得风速。1.1.2 课题的任务设计一个超声波风速测量仪，要求测量范围在0.10m/s100m/s，测量精确度0.05m/s，能够清晰稳定地显示测量结果。1.2 国内外超声波风速测量仪的现状1.2.1 国外风速测量仪的现状 超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。国外早在1878年斯特劳哈(strouhal)就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈数就是表示旋频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似准则。超声波涡街流量计是在流体中安放一根(或多根)非流线型阻流体(bluffbody)，流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率下比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。70、80年代超声波涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的超声波涡街流量计，并大量生产投放市场。国外对超声波涡街流量计标准制订很重视，90年代初国际标准化组织(iso)即成立起草工作组起草超声波涡街流量计国际标准，1993年提出委员会草案(isoicd 12764)，至1997年颁布为技术报告(isotr 12764：1997)。由于种种原因iso把不宜作为国际标准的一些文件列为技术报告，例如得不到足够支持率的文件，技术尚在发展还不够成熟或作为参考资料提供等等，看来超声波涡街流量计文件还不足够成熟，暂时尚不能作为国际标准发布。工业发达国家如美、日皆制订有超声波涡街流量计国家标准(asmeiansi mfc-6m-1987和jis 28766-1989)d1。目前，将超声波涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题：一是抑制流场噪声的影响，流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响。附加的旋涡干扰了涡街信号，降低了信噪比；二是准确测量小流量，因为小流量所产生的横向升力较小，检测信号非常微弱，易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小量不能测量。1.2.2 国内风速测量仪的现状我国超声波涡街流量计的生产亦有飞速发展，到目前为止全国生产厂已多达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。超声波涡街流量计己跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种、全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，我国早在80年代就制订了涡街流量计专业标准(zbn 12008-89)和检定规程jjg620-89。专业标准于1998年进行了修订，改变为jbt 9249-1999检定规程则与其他速度式流量计的检定规程合并为一个新的检定规程jjgl9894。国内研究甚至在某方面科技含量更高，国内流量计一般分为以下这几种：1) 容积式流量计2) 叶轮式流量计3) 差压式流量计(变压降式流量计)4) 电磁流量计5) 超声波涡街流量计1.3超声波测距的研究内容 本文的主要内容是先阐述设计的背景意义，目前国内外的现状，后对超声波涡街风速计的可行性进行了理论分析的基础上，利用计算机技术，电子技术以及超声波在介质中的传播特性，设计出超声波测量风速的硬件部分，采用对应的软件程序。在硬件的设计过程中，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力，对回波进行多级放大处理等措施，扩大了测量的范围。为了保证超声波风速测量仪能很好的工作，提高工作的可靠性和稳定性，在软件和硬件方面都采用的相应的抗干扰补偿措施。第57页第2章 超声波风速仪测量原理及其总体设计2.1 超声波风速仪原理2.1.1 风速测量原理 卡曼涡街 涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计。即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体(涡街流量传感器中称之为旋涡发生体)，就会在其下流两侧产生两列有规律的旋涡即卡门涡街，其旋涡频率正比于来流速度。如图11所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f被测介质来流的平均速度为n旋涡发生体迎面宽度为d表体通径为d。根据卡曼涡街原理，有如下关系式： (2-1)其中：f-旋涡发生频率，hz；v1-旋涡发生体两侧平均流速，ms；d-旋涡发生体直径，mm；st-昕特劳哈数(无量纲)；m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。因此，只要测出涡街产生的频率f，就可得出风速v： (2-2)当d和st为定值时，旋涡产生的频率，与流体的平均流速v成正比，利用这一特性制成了涡街流量计。涡街传感器所测的并不是平均流速，而大约是旋涡发生体两侧的流速。对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明了涡街流量传感器检测到的主要反映旋涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是其检测机理所决定的。管道内体积流量q为：(2-3)式子中k是流量计的仪表常数，脉冲数/m3(p/m3) 仪表常数足除了与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈数有关。当管道尺寸和旋涡发生体尺寸一定时，d为常数，st与雷诺数re成函数关系。大量试验证明，几何形状相同的旋涡发生体，无论尺寸大小，只要在相似的流场中(雷诺系数re相等)，就具有相同的st数值。 旋涡发生体下游两侧交替发生的涡列会在发生体或检测元件上产生交替的横向推力，因此，测出由此引起的交变应力的频率也就等于检测到了旋涡脱落频率。用来感受交变应力的敏感元件可以是应变片，也可以是压电晶体、压电陶瓷或其他类型的元件，由于压电元件具有输出信号大、损耗小、响应快、耐温高和机械强度大等优点，故已普遍应用于涡街流量计。图2-12.1.2 超声波风速测量的理论分析 超声波实际机械波，在介质中传播是手介质影响的，下面介绍超声波在空气介质中的传播特点： 在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波频率在20hz到20000hz之间的话，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的震动称为声振动，声振动激起的纵波称为声波。频率高于20000hz的机械波称为超声波，频率低于20hz的机械波称为次声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、固体、液体中传播。电磁波的传播速度为3*10m/s,超声波在空气中的传播速度大约为340m/s（常温下），其速度与电磁波相差5个等级，超声波在相同的传播媒质里传播速度相同，即在相当大的频率范围内不随频率变化，波动方向与振动方向一致。2.2超声波传感器工作原理2.2.1超声波传感器基本结构及工作原理 利用超声波感知或检测物体，有非破坏性，遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了其独到之处。很早以前人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围已经达到um级，频率也已经扩大到ghz级，分辨率达到um级的显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步对电子学的发展起到了巨大的作用。人们为研究和应用超声波。已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其他形式的能量转化成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其他易于检测的能量（接收换能器来完成）。一般是用电能和超声波能量来相互转换。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气