风速与风向检测系统的设计与实现
摘 要本文介绍了用STC89C52系列单片机设计检测风速风向的数据处理系统，利用增量式编码器对风速信号进行采集，用测频法将所得信号处理后并显示。?对于风向本系统使用单圈绝对式光电编码器在0-360°范围内进行测量收集信号，由单片机进行格雷码转换处理，数据由液晶屏显示。本设计具有结构简单，成本低等特点。
目录
1绪论 1
1.1前言 1
1.2研究课题的目的和意义 1
1.3系统设计重点与难点 2
2系统设计要求与方案选择 4
2.1系统的设计目标 4
2.2 基本设计思路 4
2.2.1 系统的基本框图 4
2.2.2 系统设计思路 4
2.3系统方案设计与选择 5
3系统整体硬件电路分析设计 7
3.1 总体设计 7
3.2数据采集模块 7
3.2.1风速传感器 7
3.2.2风速的计算 7
3.2.3风向传感器 8
3.2.4信号放大部分 8
3.2.5风向的转换与格雷码 9
3.3主控电路 1
3.3.1主控模块的电路图 1
3.3.2模块的硬件说明 2
3.4 显示模块 4
3.4.1显示部分 4
3.5硬件原理图 15
3.5.1硬件电路图原理图设计工具 15
3.5.2硬件电路设计 16
4软件的设计 18
4.1 风速程序流程图 18
4.2风速的部分程序 19
4.3风向的程序流程图 20
4.4风向部分程序 21
5系统的整体调试调试 22
5.1 系统调试时遇到的问题以及解决方法 22
5.1.1硬件调试遇到的问题及解决的方法 22
5.1.2软件调试遇到的问题及解决方法 22
结语 23
参考文献 24
附录 25
致谢 36
1绪论
1.1前言
r /> 在农业生产上风是特别重要的环境因素之一。当风速适度时，会为农田环境的改善提供很好的帮助。 农田蒸散和空气中稀有气体的传输过程，会随着风速的改变而变化。风不仅仅能传播植物的花粉、种子，而且还可以帮助植物授粉和繁殖。因此，对风速数据时刻变化监控和风向方位变化了解格外重要；即研究风速风向的时刻变化有着重大的意义。
风能作为一种可再生新能源，人类将其定义为是一种分布广泛，跨区域性强，取之不尽，可无数次重复利用的可再生新能源。我国大部分土地处于北温带，风速是比较温和的季风，为各种农作物的生长提供了十分有利的气候。我国区域广泛，在一些高原和平原地区以及偏东南向沿海地区，都具有相当可观的清洁风能资源，若能将这些资源十分充分的利用起来，它将会为人类发展提供多少的帮助？这将是一笔多么丰富的资源。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。
1.2研究课题的目的和意义
风做为农业生产的环境因数之一，其风级的大小直接影响着农工业结果，做为有益的那面，它不仅仅能够传播植物花粉、种子，而且还可以帮助植物授粉和繁殖，并且它还能将空气中的二氧化碳，氧气，热量等进行输送和交换。为农作物的成长创造了条件。反之，一方面各种具有传染性病菌和病原体会随着风脚步而蔓延，另一方面风还会使农作物倾倒、茎叶断折、落花落果等，给人们的资产和生活上带来不必要的损耗，而且它还会使泥土遭到侵蚀，土地沙漠化等，比如黄土高原的形成。另一方面，风因为具有流动性，因此它会为人类提供一种可以利用的能量。利用风能这种新能源发电，我们不仅减少了对煤炭这种不可在生能源能源的依赖，而且保护了环境。因此，对风速风向的时时了解和掌控格外重要；所以研究风速的变化意义巨大。
1.3系统设计重点与难点
本系统的主要功能是实现对风速风向进行测量并显示，且此系统要求具备一定的抗干扰性。本系统作为一个微小型的风速测量系统，主要硬件电路特点有体积小，成本低，抗干扰性较好且容易实现等，大约对0－10m/s范围内风速数据采集测量，采用增量式编码器对风速进行采集，利用测频法和单片机实现对风速的计算。采用单圈绝对式编码器对风向进行0360°范围内数据采集，由单片机进行格雷码转换处理并重点显示主要的八个方位。显而易见，本系统的重点是如何选择风速与风向的测量方法。一般风速与风向的测量有如下几种选择：
（1）风杯式风速计：
它是比较普通的一种风速计。最早是由英国 J.T.R.鲁宾孙发明(1846)的，刚发明时是由四杯组成,后来慢慢改用成三杯。三个之间夹角互为120 度抛物形或半球形的空杯都按照一个方向固定在架子上，然后再将这个装有风杯的架子装在一个可以自由转动的旋转轴上。当风杯在风力的作用下而绕轴旋转时，此时的风杯转速将正比于风速。转速的记录大多采用电触点式记录、测速发电机记录和光电计数器记录。[11]
（2）皮托管式风速计：
简单的说皮托管其实就是测压管,由于其结构较简单,容易上手,理论上的研究又比较完善从而得到人们的广泛应用。皮托管测速的原理是，因为流体流动将会引起的压差的变化，于是人们对这个压差进行流速检测。人们将气流进入皮托管顶端小孔产生的压力定义为全压 ,静压有两部分组成，一方面是流体本身所带的静压,另一方面是因为流体滞止后过剩的动能通过能量转变过来的那部分压力,然而从皮托管侧面小孔进入的气压仅是流体的静压,利用全压和静压之间的关系即可求出动压,从而计算出风速。
（3）螺旋桨式风速计：
螺旋桨式风速计由螺旋桨叶片，传感器支架和磁感应线圈等构成。一般可分为平行轴和垂直轴式两种形式。其原理可概括为，空气流动将产生动能，该动能将会使传感器的螺旋桨旋转,然后通过计算螺旋桨的转速来间接的求出流过螺旋桨末端装置的空气流速。
（4）热线、热膜式风速计：
热线风速仪一般是以丝、钨或铂作为探针；而热膜风速仪一般则采用铂或铬膜作为探针。 它们测速的原理相识，即，将裸露探针放在被测量空气中,将另一端接入惠斯顿电桥,通过观看或计算惠斯通电桥的电阻或电流之间的平衡关系,检测出被测截面空气的流速。
（5）压力式风速计：
目录
1绪论 1
1.1前言 1
1.2研究课题的目的和意义 1
1.3系统设计重点与难点 2
2系统设计要求与方案选择 4
2.1系统的设计目标 4
2.2 基本设计思路 4
2.2.1 系统的基本框图 4
2.2.2 系统设计思路 4
2.3系统方案设计与选择 5
3系统整体硬件电路分析设计 7
3.1 总体设计 7
3.2数据采集模块 7
3.2.1风速传感器 7
3.2.2风速的计算 7
3.2.3风向传感器 8
3.2.4信号放大部分 8
3.2.5风向的转换与格雷码 9
3.3主控电路 1
3.3.1主控模块的电路图 1
3.3.2模块的硬件说明 2
3.4 显示模块 4
3.4.1显示部分 4
3.5硬件原理图 15
3.5.1硬件电路图原理图设计工具 15
3.5.2硬件电路设计 16
4软件的设计 18
4.1 风速程序流程图 18
4.2风速的部分程序 19
4.3风向的程序流程图 20
4.4风向部分程序 21
5系统的整体调试调试 22
5.1 系统调试时遇到的问题以及解决方法 22
5.1.1硬件调试遇到的问题及解决的方法 22
5.1.2软件调试遇到的问题及解决方法 22
结语 23
参考文献 24
附录 25
致谢 36
1绪论
1.1前言
r /> 在农业生产上风是特别重要的环境因素之一。当风速适度时，会为农田环境的改善提供很好的帮助。 农田蒸散和空气中稀有气体的传输过程，会随着风速的改变而变化。风不仅仅能传播植物的花粉、种子，而且还可以帮助植物授粉和繁殖。因此，对风速数据时刻变化监控和风向方位变化了解格外重要；即研究风速风向的时刻变化有着重大的意义。
风能作为一种可再生新能源，人类将其定义为是一种分布广泛，跨区域性强，取之不尽，可无数次重复利用的可再生新能源。我国大部分土地处于北温带，风速是比较温和的季风，为各种农作物的生长提供了十分有利的气候。我国区域广泛，在一些高原和平原地区以及偏东南向沿海地区，都具有相当可观的清洁风能资源，若能将这些资源十分充分的利用起来，它将会为人类发展提供多少的帮助？这将是一笔多么丰富的资源。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。
1.2研究课题的目的和意义
风做为农业生产的环境因数之一，其风级的大小直接影响着农工业结果，做为有益的那面，它不仅仅能够传播植物花粉、种子，而且还可以帮助植物授粉和繁殖，并且它还能将空气中的二氧化碳，氧气，热量等进行输送和交换。为农作物的成长创造了条件。反之，一方面各种具有传染性病菌和病原体会随着风脚步而蔓延，另一方面风还会使农作物倾倒、茎叶断折、落花落果等，给人们的资产和生活上带来不必要的损耗，而且它还会使泥土遭到侵蚀，土地沙漠化等，比如黄土高原的形成。另一方面，风因为具有流动性，因此它会为人类提供一种可以利用的能量。利用风能这种新能源发电，我们不仅减少了对煤炭这种不可在生能源能源的依赖，而且保护了环境。因此，对风速风向的时时了解和掌控格外重要；所以研究风速的变化意义巨大。
1.3系统设计重点与难点
本系统的主要功能是实现对风速风向进行测量并显示，且此系统要求具备一定的抗干扰性。本系统作为一个微小型的风速测量系统，主要硬件电路特点有体积小，成本低，抗干扰性较好且容易实现等，大约对0－10m/s范围内风速数据采集测量，采用增量式编码器对风速进行采集，利用测频法和单片机实现对风速的计算。采用单圈绝对式编码器对风向进行0360°范围内数据采集，由单片机进行格雷码转换处理并重点显示主要的八个方位。显而易见，本系统的重点是如何选择风速与风向的测量方法。一般风速与风向的测量有如下几种选择：
（1）风杯式风速计：
它是比较普通的一种风速计。最早是由英国 J.T.R.鲁宾孙发明(1846)的，刚发明时是由四杯组成,后来慢慢改用成三杯。三个之间夹角互为120 度抛物形或半球形的空杯都按照一个方向固定在架子上，然后再将这个装有风杯的架子装在一个可以自由转动的旋转轴上。当风杯在风力的作用下而绕轴旋转时，此时的风杯转速将正比于风速。转速的记录大多采用电触点式记录、测速发电机记录和光电计数器记录。[11]
（2）皮托管式风速计：
简单的说皮托管其实就是测压管,由于其结构较简单,容易上手,理论上的研究又比较完善从而得到人们的广泛应用。皮托管测速的原理是，因为流体流动将会引起的压差的变化，于是人们对这个压差进行流速检测。人们将气流进入皮托管顶端小孔产生的压力定义为全压 ,静压有两部分组成，一方面是流体本身所带的静压,另一方面是因为流体滞止后过剩的动能通过能量转变过来的那部分压力,然而从皮托管侧面小孔进入的气压仅是流体的静压,利用全压和静压之间的关系即可求出动压,从而计算出风速。
（3）螺旋桨式风速计：
螺旋桨式风速计由螺旋桨叶片，传感器支架和磁感应线圈等构成。一般可分为平行轴和垂直轴式两种形式。其原理可概括为，空气流动将产生动能，该动能将会使传感器的螺旋桨旋转,然后通过计算螺旋桨的转速来间接的求出流过螺旋桨末端装置的空气流速。
（4）热线、热膜式风速计：
热线风速仪一般是以丝、钨或铂作为探针；而热膜风速仪一般则采用铂或铬膜作为探针。 它们测速的原理相识，即，将裸露探针放在被测量空气中,将另一端接入惠斯顿电桥,通过观看或计算惠斯通电桥的电阻或电流之间的平衡关系,检测出被测截面空气的流速。
（5）压力式风速计：
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