畢業(yè)設計論文說明書

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計的任務是開發(fā)設計一個測量室內風速、風向的儀器，要求測量風速在1m/s在測量過程中，被測風速在1m/s以內。</p><p>　　本文對風速/風向的測量基于超聲波的渡越時間差。超聲波在空氣中的傳播速度與氣流速度產生疊加現(xiàn)象。在固定的測量路徑內，與超聲波傳播方向同向的風速分量增大了超聲波傳播速度，從而使

2、渡越時間減小；與超聲波傳播方向反向的風速分量，相反的，使超聲波傳播速度減小，從而使渡越時間增大。雙向測量渡越時間，就可以通過這兩個渡越時間計算出測量路徑內的風速。</p><p>　　并且同時可以測出該風向。</p><p>　　本文在對超聲風速測量原理分析和反復試驗的基礎上設計了室內微風傳感器的硬件電路，對所應用的超聲傳感器、電路各組成部分和主要器件功能做了詳細介紹，并編寫了相應單片機控

3、制軟件。最后總結了微風傳感器的特點，對前景進行了分析和展望。</p><p>　　該測風系統(tǒng)利用時差法超聲波測風原理設計了風速風向測量系統(tǒng)實現(xiàn)了對瞬時風速風向的精確測量克服了傳統(tǒng)測風儀測量精度不高和使用環(huán)境受限制等缺點。</p><p>　　這句話從哪來的？ 在哪能體現(xiàn)？ 實驗結果還是？</p><p>　　關鍵詞：微風測量、風速儀、超聲傳感器、單片機、串行通訊&l

4、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The task of this design is to devolopesign a device to measurement of indoor wind speed and wind direction,, and wind speed measurement in the wind

5、 speed should be lower than 1m/s during the measurement requirements.</p><p>　　In this paper, the wind speed and direction measurement based on ultrasonic transit time difference. Ultrasonic propagation in a

6、ir speed and air velocity superposition phenomenon. In the measurement of fixed route, and the ultrasonic propagation direction to the same wind velocity component increases thevelocity of ultrasonic wave, so that the tr

7、ansit time is reduced; wind component,reverse and ultrasonic wave propagation direction on the contrary, theultrasonic propagation velocity decreases, s</p><p>　　On the basis of analysis of the principle of

8、ultrasonic velocity measurement and lots of experiments, the hardware circuit of the indoor airflow sensor is designed in this thesis. The ultrasonic transducers and the main components used in the circuit are introduced

9、 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 development prospect is analyzed. </p><p>

10、　　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 th

11、e use of space limitation.</p><p>　　Key words: Cold storage Anemometer Refrigerating system Ammonia Compressor 這個關鍵詞怎么不翻譯？？？？？？？</p><p>　　Indoor airflow measurement wind velocity indicat

12、o ultrasonic sensor MCU serial communication</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract1</p><p><b>　　1 緒論1</b>

13、;</p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 文獻綜述1</p><p>　　1.2.1 基于單片機的CNC系統(tǒng)2</p><p>　　1.2.2 基于可編程控制器（PLC）的CNC系統(tǒng)3</p><p>　　1.2.3 基于液壓控制系統(tǒng)的自動U型彎管

14、機CNC系統(tǒng)3</p><p>　　1.2.4 基于工業(yè)PC的CNC系統(tǒng)3</p><p>　　1.3 設計思路4</p><p>　　1.4 內容安排5</p><p>　　2 基于單片機的彎管機控制原理6</p><p>　　2.1 超聲風速測量原理6</p><p>　　2.2

15、 超聲換能器工作原理7</p><p>　　2.3 40LPT16超聲換能器9</p><p>　　2.4 空間結構設計10</p><p>　　3 單片機控制系統(tǒng)硬件電路設計12</p><p>　　3.1 硬件設計總體結構12</p><p>　　3.2 AT89S51單片機與部分外圍電路13</

16、p><p>　　3.3 超聲風速測量電路15</p><p>　　3.3.1 光耦繼電器和反相器15</p><p>　　3.3.2 開關驅動接收電路16</p><p>　　3.3.3 濾波電路18</p><p>　　3.3.4 比例放大電路20</p><p>　　3.3.5 回波檢

17、測電路21</p><p>　　3.3.6 TL431電壓偏置電路22</p><p><b>　　3.4 小結22</b></p><p>　　4 單片機控制系統(tǒng)軟件設計24</p><p>　　4.1 串行通訊24</p><p>　　4.2 風速測量軟件設計流程24</p&

18、gt;<p>　　4.3 實驗結果28</p><p><b>　　4.4 小結29</b></p><p><b>　　結 論30</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　參考文獻32</

19、b></p><p>　　附錄（一）：應用程序34</p><p>　　附錄（二）：外文文獻翻譯及原文40</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著國內工業(yè)現(xiàn)代化程度的日益提高，過去老式

20、的機械液壓式夸管機已不能滿足越來越高的精度要求和大規(guī)模生產的韶要，因為其精度差，工人勞動強度大，效率低下。因而到了八十年代中期出現(xiàn)了由Z- 80單板機作控制器的數控育管機，但由于它體積大、攏擾能力差等缺點，也不能很好地滿足工作的書要。單片機以其優(yōu)良的性能，很強的擾干擾能力，在對傳弘技術改造中，扮演了越來越盆要的角色。以單片機為核心的新里效控夸管機是一種高效率、高精度的數控夸管機，它休積小巧，操作靈活，能夠夸曲管徑從。24mm-r}60m

21、m的各種管子.育曲最大角度為196度，專曲精度達到士1度，非常適合彎曲大批f、不同角度值的管子。</p><p><b>　　1.2 文獻綜述</b></p><p>　　鋼管彎管機是用來制作特殊鋼管結構構件的液壓機械設備，用單片機構件鋼管及的自動控制系統(tǒng)，用于管線轉彎處。</p><p>　　彎管機的發(fā)展與計算機技術的發(fā)展息息相關，早在20世

22、紀70年代時，美國 EATONLEONARD公司就已經研制生產了計算機數控彎管設備，首創(chuàng)計算機編程數控彎管之先河，大大提高了當時的數控彎管水平。 20世紀 80年代，日本千代田工業(yè)株式會社在美國 EATONLEONARD公司的研究成果上，成功研制了 M-1型管型測量機和 EC、TC兩種系列十多種型號的數控彎管機，功能非常強大，很快便以嶄新的技術面貌擠入了國際市場。</p><p>　　我國的數控彎管機研究起步較晚

23、，但發(fā)展很快，早在 1970年武昌造船廠就研制成功一臺數控彎管機，這是國內自主研制的第一臺數控彎管機。1973年武昌造船廠又成功研制了 SKWG-2型數控彎管機。此后上海造船廠工藝研究所等多家國內企業(yè)也陸續(xù)研制出了數控彎管機。目前我國彎管加工的現(xiàn)狀是既有自動化程度高的數控彎管機，也有半自動的數控彎管機，甚至還有相當一部分中小企業(yè)還在使用傳統(tǒng)的手工彎管，具有典型的“老、中、青”(即手工彎管設備、半自動彎管機床和全自動彎管機床)三者結合的中

24、國特色。</p><p>　　該類彎管機的控制系統(tǒng)主要有：基于單片機的CNC系統(tǒng)、基于PLC的彎管機控制系統(tǒng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線的中頻液壓彎管機控制系統(tǒng)、基于PLC與步進電機的全自動數控彎管機控制系統(tǒng)、新型纏繞式液壓彎管機控制系統(tǒng)、基于上下位機的中頻彎管機控制系統(tǒng)、基于PLC與伺服電動機的全自動彎管機控制系統(tǒng)、基于液壓控制系統(tǒng)的自動U型彎管機控制系統(tǒng)、大口徑中頻加熱彎管機控制系統(tǒng)。 </p>

25、<p>　　1.2.1 基于單片機的CNC系統(tǒng)</p><p>　　重要的單片機型號有MSC-51系列單片機、MC9S12XS12N系列單片機。采用單片機開發(fā)的數控彎管機成本低，其操作簡單、實時性好、現(xiàn)場的適應能力強。并且機床操作方便、人機界面友好，因此，一般都用來開發(fā)簡易的經濟性數控機床。</p><p>　　MCS-51 系列單片機</p><p>　

26、　MCS-51 系列單片機是INTEL公司在MCS-48系列的基礎上，在80年代初又推出的高性能的8位單片機。它與48 系列相比，在片內存儲器容量、I/0口的功能以及指令系統(tǒng)功能等方面，都大大地得到加強。就MCS-51系列單片機特別適用于實時控制、智能儀表、主從結構的多機系統(tǒng)等領域，是工業(yè)檢測、控制領域中最理想的8位單片機。MCS-51系列單片機的三個基本產品為8031、8751、8051。它們的指令系統(tǒng)完全兼容，但在內部結構及應用特性

27、方面存在一些差異</p><p>　　1.2.2 基于可編程控制器（PLC）的CNC系統(tǒng)</p><p>　　1.PLC在彎管機控制系統(tǒng)中的優(yōu)點</p><p>　?。?）用PLC控制彎管機時，工作可靠性高；</p><p>　?。?）該類彎管機控制系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)簡單。方便、工人勞動強度低、危險系數小、人力成本低等優(yōu)點；</p>

28、<p>　?。?）其控制速度快；</p><p>　　（4）可以在條件艱苦的工作環(huán)境中工作；</p><p>　　（5）安裝容易，施工方便；</p><p>　?。?）可靠性高，使用壽命長，可擴展性強；</p><p>　?。?）有自診斷能力，維護工作量小。</p><p>　　2.基于上下位機的中頻加熱

29、液壓彎管機控制系統(tǒng)</p><p><b>　　控制系統(tǒng)組成:</b></p><p>　　中頻液壓彎管機組電氣自動化控制系統(tǒng)主要是由數字式步進液壓伺服控制系統(tǒng)、中頻感應加熱電源控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機與PLC組成的工業(yè)現(xiàn)場網絡控制系統(tǒng)組成。具體控制方案設計是采用工業(yè)控制計算機作為上位機，完成對整個機組工作過程的動態(tài)監(jiān)控、狀態(tài)管理、數據記錄、系統(tǒng)管理、參數處理等功能。

30、PLC 作為下位機用于完成對整個彎管生產過程中彎管角度、主機速度、升降缸位移、加熱溫度、功率、電壓、冷卻噴淋、液壓系統(tǒng)等的順序控制。</p><p>　　基于上下位機的中頻加熱液壓彎管機系統(tǒng)圖</p><p>　　1.2.3 基于液壓控制系統(tǒng)的自動U型彎管機CNC系統(tǒng)</p><p>　　數控彎管機彎管效率高，管件質量穩(wěn)定，可迅速提高機加車間的生產效率。特別適合大批

31、量多種類管件生產。目前國內的鍋爐制造廠家大部分仍采用手動彎管。該類的PLC控制系統(tǒng)可自動完成送管、置位、彎管、復位、翻身等操作；控制系統(tǒng)以PLC為核心，穩(wěn)定可靠；步進電動機保證了送管的精度；觸摸屏提供了更直觀的人機界面</p><p>　　基于PLC與步進電動機控制系統(tǒng)組成</p><p>　　1.2.4 基于工業(yè)PC的CNC系統(tǒng)</p><p>　　隨著PC機功能

32、的逐漸強大和完善。工業(yè)界己將PC機應用于自動化領域，為了經受高低溫沖擊、潮濕、振動、電磁干擾、粉塵等惡劣工作環(huán)境的考驗，生產商通過增加密封保護、過濾器、板壓條和額外風扇等措施，形成了工業(yè)PC.在彎管機數控系統(tǒng)中，采用PC或工業(yè)PC主板作為CNC平臺，通過在主板(或母板)上的PCI/ISA槽插入實現(xiàn)NC功能的各種模塊，如運動控制卡、DA板、工/0板等等，構成具有高度靈活性的彎管機數控系統(tǒng)。充分利用Windows操作系統(tǒng)的資源和用高級語言編

33、程，能夠使數控軟件系統(tǒng)的功能更強大。</p><p>　　目前，常用的管材彎曲成形方法有繞彎、推彎、滾彎和壓彎等，其中繞彎容易實現(xiàn)自動化，因此目前彎管機多以彎管為主。但是，由于繞彎需要將鋼管纏繞在模輪上加工成形，而模輪的半徑受到限制的，因此在加大曲率的彎件時繞彎顯得無能為力，而需要使用滾彎的方式。為了增加彎管機的柔性，必須將繞彎和滾彎集成到彎管機上，以實現(xiàn)從小曲率和大曲率管件的加工。隨著數控技術和計算機技術的發(fā)展

34、，管件成形也從手工、半自動化方式發(fā)展到數控全自動加工方式，并且，基于PC的開放式的數控系統(tǒng)也逐步替代了傳統(tǒng)的專用的PLC數控系統(tǒng)。從實現(xiàn)結構上來看，基于PC的開放式數控系統(tǒng)大致分為4種結構形式：PC連接NC型，PC嵌入NC型，NC嵌入PC型和全軟件型。</p><p><b>　　1.3 設計思路</b></p><p>　　本設計采用四個壓電超聲換能器組成傳感器陣列

35、測量風速，壓電超聲換能器體積小，工作電壓較靜電超聲換能器小，工作頻率范圍可從20KHz至20GHz，頻帶較靜電超聲換能器窄，但是用于固定近距離的風速測量完全可以滿足要求。</p><p>　　將四個超聲換能器兩兩相對設置，輪流工作，測量兩個不同方向的固定路徑內的風速，用于風速風向信息的合成。由于設計要求室內微風傳感器有盡量小的體積，因此超聲換能器距離要小，同時超聲速度也是很大的，在近距離測量渡越時間難度也是很大的

36、，因此超聲換能器距離又不能太小，設計時要綜合各方面的因素。</p><p>　　要測量近距離路徑內的渡越時間，對開關控制電路反應的快速性要求很高，開關速率一定要足夠快（開啟時間足夠短），且較易控制，因此采用高速的光電繼電器是很好的選擇，同時還可以通過開關控制電路將驅動電路與回波檢測電路隔離開，避免驅動信號余振對回波檢測電路造成干擾。</p><p>　　回波信號比較微弱，還有一定的噪聲，因

37、此要設置濾波電路和放大電路。最后將回波信號轉換為高低電平的模擬數字信號引入單片機中斷端口，用來計算渡越時間，可以通過比較器和設置合適的閾值電壓實現(xiàn)。</p><p>　　在硬件電路設計的基礎上，采用串行通信方法將單片機與PC機相連，將渡越時間相關的輸出數據發(fā)送到PC機內。由于控制信號和脈沖信號及渡越時間的測量均要求計時精確，因此單片機控制程序采用C語言和匯編語言混編方式。</p><p>

38、<b>　　1.4 內容安排</b></p><p>　　第一章 緒論，簡單介紹了基于單片機的彎管機控制系統(tǒng)的研究意義和背景，總結了目前幾種控制系統(tǒng)，整理了研究思路；</p><p>　　第二章 基于單片機控制系統(tǒng)的彎管機的工作原理，介紹了控制器的工作原理，本設計所采用的壓電超聲換能器的性能和結構設計，及風速測量的原理和方法；</p><p&g

39、t;　　第三章 室內微風傳感器硬件電路設計，詳細介紹基于超聲換能器的室內微風傳感器的電路設計結構邏輯、工作過程和主要器件的性能；</p><p>　　第四章 室內微風傳感器軟件設計，主要分析了控制過程的流程，通過實驗驗證其邏輯的正確性；</p><p>　　第五章 總結與展望，分析了本設計的不足之處，對以后的改進工作提出意見。</p><p>　　2 超聲風速

40、測量原理</p><p>　　2.1 超聲風速測量原理</p><p>　　超聲波（頻率高于20KHz）是一種振動頻率高于聲波的機械波，可由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、能定向傳播等特點。超聲測風是超聲波檢測技術在氣體介質中的一種應用它是利用超聲波在空氣中傳播速度受空氣流動(風) 的影響來測量風速的。與常規(guī)的風杯或旋翼式風速儀相比這種測量方法的最大特

41、點在于整個測風系統(tǒng)沒有任何機械轉動部件，屬于無慣性測量，故能準確測出自然風中陣風脈動的高頻成分，結合現(xiàn)代計算機技術，可在更高層次上揭示自然風的特性對于提高抗風減災能力和風資源的合理利用有重大意義。</p><p>　　2.2 超聲換能器工作原理</p><p>　　超聲換能器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，也叫超聲傳感器或超聲探頭，它能把高頻電能轉化為機械能的裝置。一般有磁致伸縮式和壓

42、電陶瓷式。電源輸出到超聲波發(fā)生器，再到超聲波換能器，一般還要經過超聲波導出裝置就可以產生超聲波了。由材料的壓電效應將電信號轉換為機械振動。超聲波換能器是一種能量轉換器件，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。 </p><p>　　2.3 40LPT16超聲換能器</p><p><b>　　圖</b></p&

43、gt;<p>　　2.4 空間結構設計</p><p>　　由四個超聲換能器組成超聲測量陣列如下圖所示，每兩個在立方體對角斜向相對放置，N-S、W-E傳感器連線均與固定面成一定角度θ。在這種情況下，可測量二維平面信息。這樣放置超聲傳感器的目的是減少傳感器自身對所在平面內風速的阻擋作用，通過斜向渡越時間的測量，計算空間內均勻的風速。</p><p>　　3 室內微風傳感器硬件電

44、路設計</p><p>　　3.1 硬件設計總體結構</p><p>　　根據第二章所述原理，選擇合適的器件完成硬件的設計，通過AT89S51單片機控制發(fā)射和接收，并計算渡越時間。將所得時間數據發(fā)送到PC機上顯示，具體框架如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1　　基本結構圖</p><p>　　圖中超聲換能器N-S共用一組開關-驅動電

45、路和信號接收檢測電路，當超聲換能器N做為發(fā)射方，超聲換能器S做為接收方時，信號流動方向為實線箭頭方向，當超聲換能器S做為發(fā)射方，超聲換能器N做為接收方時信號經開關-驅動電路后沿虛線箭頭（數字代表信號流動方向）流動，再經由信號接收檢測電路后由單片機進行處理。</p><p>　　AT89S51單片機控制四個超聲換能器的發(fā)射和接收，并計算渡越時間，將數據發(fā)送到PC機上顯示。</p><p>　

46、　圖3-2　　室內微風傳感器單路電路總體結構</p><p>　　3.2　AT89S51單片機與部分外圍電路</p><p>　　AT89S51是ATMEL公司出的兼容MCS-51的8位CPU單片機，最大主頻33MHz，完全能滿足電路要求。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫100

47、0次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。 </p><p>　　AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內程序存儲器，128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向

48、輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以

49、適應不同產品的需求。主要特性如下：</p><p>　　4k Bytes Flash片內程序存儲器；</p><p>　　128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）；</p><p>　　32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；</p><p>　　2個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；</p><p><b&g

50、t;　　5個中斷源；</b></p><p>　　2個16位可編程定時器/計數器；</p><p>　　2個全雙工串行通信口；</p><p>　　看門狗（WDT）電路；</p><p>　　片內振蕩器和時鐘電路；</p><p>　　與MCS-51兼容；</p><p>　　全靜態(tài)

51、工作：0Hz-33MHz；</p><p>　　三級程序存儲器保密鎖定；</p><p><b>　　可編程串行通道；</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電模式。</p><p>　　圖3-3中，開關RST和C0、R0構成復位電路，24MHz晶振和C1、C2給單片機提供基準時鐘，機器周期為0.5μs，它們與單片

52、機一起構成了最小系統(tǒng)。</p><p>　　設計需盡量將做到單片機電路的低功耗，因此將不用的I/O引腳設置成輸出或設置成輸入，用上拉電阻拉高。因為如果引腳沒有初始化，可能會增大單片機的漏電流。</p><p>　　圖3-3　　單片機電路</p><p>　　圖3-4　　電平轉換電路</p><p>　　3.3 超聲風速測量電路</p&g

53、t;<p>　　3.3.1 光耦繼電器和反相器</p><p>　　光耦繼電器是固態(tài)繼電器的一種，一般繼電器都是機械觸點，靠通電流過線圈變成有磁性的磁鐵吸合觸點，從而控制開關狀態(tài)。而光耦繼電器工作原理類似于光耦。光耦繼電器具有的優(yōu)點有：</p><p>　　3.3.2　開關驅動接收電路</p><p>　　圖3-5　　開關驅動接收電路</p>

54、;<p>　　如圖3-5中間部分為開關控制電路，AQW216光耦繼電器的控制端con1+、con2+接高電平，con1-由單片機P2.0-2.3輸出的控制信號控制，輸出端與超聲換能器相連。則控制信號為低電平時相應開關導通，超聲換能器工作，同時控制信號經過反相器74LS04反相后控制con2-開關關斷，相應超聲換能器處于禁止工作狀態(tài)；控制信號為高電平時相應開關關斷，超聲換能器處于禁止工作狀態(tài)，同時控制信號經過反相器74LS0

55、4反相后控制con2-開關導通，相應超聲換能器工作。</p><p>　　上面部分為發(fā)射驅動電路，場效應管選用IRF630，最大能承受200V的電壓，最大電流9A。P1.4輸出40KHz的脈沖信號控制IRF630的通斷，在IRF630的漏極輸出反向放大后的脈沖信號，經過隔直電容C9連到光耦繼電器驅動超聲換能器。隔直電容C9的作用是將直流高電平與控制電路隔離。</p><p>　　下面部分為

56、回波接收電路。由于40LPT16是收發(fā)一體的換能器，因此將回波接收電路與發(fā)射驅動電路分離出來，由兩個二極管構成鉗位電路，防止超聲發(fā)射信號的幅值太大燒毀后面的芯片。</p><p>　　如圖3-6為示波器檢測到單片機脈沖信號和超聲換能器端的驅動信號。</p><p>　　圖3-6　　脈沖信號與超聲換能器驅動信號</p><p>　　3.3.3　濾波電路</p&g

57、t;<p>　　超聲回波信號幅值很小，換能器接收到的信號如果直接進行放大處理，容易同時放大一些干擾信號，給后期的回波檢測造成麻煩。因此在換能器接收到回波后先通過濾波器濾波再送到運放單元。</p><p>　　帶通濾波器的設計原則是頻帶內的頻率要以相同的比例通過，而信號頻帶外的干擾要能有效地抑制。因此，要求該濾波器頻帶內響應要盡可能平坦，上下界衰減要盡量陡峭。品質因數Q是帶通濾波器好壞的一個重要指標，

58、一般Q值越高，帶寬越窄，陡度系數越高，濾波性能越好。由于RC有源濾波器同無源濾波器相比，品質因數高，且輸入阻抗高，輸出阻抗低，使輸入和輸出之間有良好的隔離性能，對信號不衰減，甚至還可以放大，具有一定的帶負載能力，增益容易調節(jié)，所以本設計采用有源濾波器。常用的濾波器有巴特沃茲(Butterworth)型、切比雪夫型(Chebyshev)型、橢圓型(Elliptic)型濾波器。</p><p>　　切比雪夫濾波器在過

59、渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內存在幅度波動。巴特沃茲濾波器在通帶和阻帶內都具有最平坦的振幅特性，且隨著頻率增大單調下降。因此選用巴特沃茲型RC有源濾波器。</p><p>　　普通有源濾波器由運算放大器和電阻、電容組成，通過一個低通濾波器與一個高通濾波器的級聯(lián)實現(xiàn)。但參數調整困難，元件周圍的分布電容容易影響濾波

60、器的特性，而且較難實現(xiàn)窄帶寬的設計，不易獲得高Q值，難以滿足系統(tǒng)的要求。本設計選用了MAXIM公司推出的專用模擬集成有源濾波器MAX275芯片。</p><p>　　圖3-7　　MAX275內部二階有源濾波器</p><p>　　MAX275內含兩個獨立的二階有源濾波電路，可分別同時進行低通和帶通濾波，也可通過級聯(lián)實現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率/截止頻率可達300KHz。MAX275內部的二階

61、有源濾波器如圖3-7所示。由圖可見，該電路采用四運放設計，運放、內部電容</p><p>　　以及外接電阻構成級聯(lián)積分電路，可同時提供低通和帶通濾波輸出。電路內部最后一級運放的輸入端接有一個5k電阻，作用是避免外部寄生電容對內部積分電容產生影響。外部電路不需要接電容或者電感，只需要選取適當的電阻就能設計出滿意的濾波器。</p><p>　　用MAX275設計四階巴特沃茲帶通濾波器時，電阻取

62、值由以下公式決定。</p><p><b>　　(3-1) </b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　

63、　其中，是用于帶通濾波，中心頻率為時管腳BPO處的增益；的值與FC的連線相關，如表3-1所示。</p><p>　　具體連接電路圖見圖3-8。為了通過完整的波形，采用了2.5V的電壓偏置，V+接5V，V-接地。取，Q=10，，則濾波器總體增益為400（如增益不太合適，可將電阻R25和R30換成可調電阻，根據信號大小設定增益）。由表3-1可知的值為1/5，根據以上公式可以求出R1=5k，R2=50k，R3=100k

64、，R4=45k。</p><p>　　表3-1　　FC與取值關系[21]</p><p>　　圖3-8　　MAX275濾波器電路連接圖</p><p>　　具體連接電路圖見圖3-8。為了通過完整的波形，采用了2.5V的電壓偏置，V+接5V，V-接地。取，Q=10，，則濾波器總體增益為400（如增益不太合適，可將電阻R25和R30換成可調電阻，根據信號大小設定增益）。

65、由表3-1可知的值為1/5，根據以上公式可以求出R1=5k，R2=50k，R3=100k，R4=45k。</p><p>　　實際電路中為了方便選取R1=5.1k。實際電路中由于電阻值不準確等因素，最后確定的電阻值與計算值有一定的偏差。</p><p>　　用示波器測量濾波器輸出端，測得波形如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9　　脈沖信號與濾波器輸出端實際

66、波形</p><p>　　3.3.4　比例放大電路</p><p>　　圖3-10　　比例放大電路</p><p>　　圖3-11　　脈沖信號與比例放大電路輸出端實際波形</p><p>　　回波信號經過MAX275濾波放大后幅值仍然比較小，需要進一步放大。因此采用NE5532搭建了一個比例放大電路，具體電路見圖3-10，增益可以通過R36調

67、節(jié)，電路中取R22為200k可調電阻，可以根據信號大小調節(jié)放大倍數。增加電容C15將上一環(huán)節(jié)輸出信號隔直，增加電容C16是為了避免運放自激振蕩。</p><p>　　3.3.5　回波檢測電路</p><p>　　圖3-12　　比較器電路</p><p>　　圖3-13　　分壓電路</p><p>　　圖3-14　　經過比較器后的回波信號<

68、;/p><p>　　3.3.6　TL431電壓偏置電路</p><p>　　由于MAX275濾波器和運放NE5532都是使用+5V單電源供電，為了保留完整的回波信號，需要給它們提供2.5V的偏置電壓。三端可調基準電壓源TL431[17]的動態(tài)穩(wěn)壓效果好，穩(wěn)壓精度很高，采用圖3-15的連接方式時，管腳1輸出的電壓就是2.5V。</p><p>　　圖3-15　　TL431

69、 2.5V電壓偏置電路</p><p><b>　　3.4　小結</b></p><p>　　本章介紹了室內微風傳感器的硬件設計，并對電路各個模塊和單片機電路做了詳細介紹，基本可以達到測量風速風向信息的要求。</p><p>　　其中各部分電路均有濾波電容，其作用是使濾波后輸出電壓為較穩(wěn)定的直流電壓，工作原理是在輸入信號電壓高于電容電壓時電容充

70、電，輸入信號電壓低于電容電壓時電容放電，在充放電的過程中，使輸出電壓趨于穩(wěn)定。</p><p>　　電源處用兩個并聯(lián)電容濾波，兩者電容值數量級之差應不小于102。大電容防止浪涌，小電容濾高頻干擾。</p><p>　　4 室內微風傳感器軟件設計</p><p><b>　　4.1　串行通訊</b></p><p>　　串

71、行通訊的特點是：數據位傳送，按位順序進行，只需一或兩根傳輸線即可完成，成本低但發(fā)送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。根據信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。信息只能單向傳送為單工；信息能雙向傳送但不能同時雙向傳送稱為半雙工；信息能夠同時雙向傳送則稱為全雙工。</p><p>　　串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。</p><p>　　串行通信的數

72、據或字符是一幀一幀的傳送的，在異步通信中，一幀數據先用一個起始位“0”表示字符的開始，然后是5～8位數據，即該字符的代碼，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗位（可省略），最后一個停止位“1”表示字符的結束。</p><p>　　在同步通信中，發(fā)送方在數據或字符前面用1～2個字節(jié)同步字符指示一幀的開始，同步字符是雙方約定好的，接收方一到那檢測到與規(guī)定的同步字符符合就開始接收，發(fā)送方接著連續(xù)按順序傳送n個數據。

73、當n個數據發(fā)送完畢，發(fā)送1～2個字節(jié)的校驗碼，由時鐘來實現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步。</p><p>　　在單片機中，主要使用異步通訊方式。</p><p>　　本設計采用的是RS-232C串行通信接口。串行通信接口的基本任務[19]是實現(xiàn)數據格式化，進行串行數據與并行數據的轉換，控制數據的傳輸速率，進行傳送錯誤檢測。其中控制數據的傳輸速率即應具有波特率發(fā)生器，實現(xiàn)波特率的控制選擇能力。波特率是

74、通信中對數據傳送速率的規(guī)定。其定義為每秒鐘傳送多少位二進制數。</p><p>　　在PC機內接有PC16550串行接口、EIA-TTL電平轉換器和RS-232C連接器，其中COM1和COM2串行口是留給用戶的，通過這兩個串行口就可以和單片機進行串行通信。由于單片機的串行發(fā)送和接收線TXD和RXD是TTL電平，而COM1或COM2的RS-232C連接器（D型九針插座）是EIA電平，因此單片機需加接MAX232芯片

75、，通過串行電纜和PC相連接。新型電平轉換芯片MAX232，可以實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平雙向轉換。MAX232內部有電壓增倍電路和轉換電路，僅需外接5個電容和+5V電源便可工作，使用十分方便（如圖3-4）。</p><p>　　4.2　風速測量軟件設計流程</p><p>　　室內微風傳感器單片機軟件在Keil uVision2的平臺上開發(fā)，Keil uVision2是美國Keil

76、Software公司出品的51系列兼容單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)，可以進行軟件仿真調試，支持匯編和C語言混合編程。</p><p>　　由于單片機使用24MHz的晶振，每個指令周期需要的時間為0.5μs，要產生40KHz的脈沖波形需要50個指令周期，設置高電平為25個指令周期。為了產生精確的脈沖信號，采用匯編語言編寫脈沖產生部分的程序。</p><p>　　為了使程序運行更加穩(wěn)定，在程序開始采用較

77、長延時，延時子函數采用匯編語言，由于延時時間較長，采用雙循環(huán)結構。在脈沖信號之前需提前發(fā)控制信號使開關打開，提前的時間與開關信號開啟時間大致相等即可，脈沖信號之后為使信號發(fā)射完全需延時一定時間再關斷開關。這些延時程序均采用匯編語言，以使計時更加精確。其余程序采用C語言編程，具體流程如圖4-1。</p><p>　　為減小中斷捕獲低電平所需捕獲時間造成的計時誤差，單個超聲換能器的測距過程要循環(huán)十次，即測量路徑渡越時

78、間的十倍，因此設置單個超聲換能器測距循環(huán)次數標號k，初值為10，在中斷程序中設置回波接收標號flag，當循環(huán)過程未完成即k未減為零時，進入中斷將k的值減1，將flag置為1后直接退出中斷繼續(xù)循環(huán)過程，當循環(huán)過程完成k減為零時再停止計時過程，計算本次的十倍渡越時間，將渡越時間個數標號i（初值為4）減1，當i減為零時一輪測量結束，發(fā)送四個渡越時間數據（8個十六進制數，高位在前低位在后）。</p><p>　　超聲換能

79、器的選擇很重要，通過設置控制信號輸出端口標志位m來實現(xiàn)這一過程。置m的初值為1，則其二進制八位數的末位為1，其它位均為零。一輪測量開始時將P2設置為全低電平輸出后將其值與m相或，這樣相應位控制信號輸出就變?yōu)楦唠娖剑P閉控制信號時再將P2設置為全低電平輸出。當一個渡越時間測量完畢需要選擇下一個超聲換能器時，將m循環(huán)左移一位，再將P2的值與m相或，就達到了控制信號選擇下一個超聲換能器的目的。當一輪四個渡越時間測量完成的時候，將m（此時m的值

80、應為16，即二進制的00010000）重新置為1，開始新一輪測量過程。</p><p>　　定時器T0工作在模式1下，作為16位計數器使用。T0用于記錄接收回波的時間，減去初值就得到渡越時間。如果在T0溢出前沒有收到回波信號，就認為回波檢測超時，在T0中斷程序里關閉外部中斷，將渡越時間直接賦值，然后進行下一個渡越時間測量。四個超聲換能器采用輪流工作的方式，每一個渡越時間測量結束后，結束標志位Flag置1，將測得的

81、距離數據存入數組中。</p><p>　　中斷程序流程如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-1　　室內微風傳感器單片機軟件流程圖</p><p>　　圖4-2　　中斷程序流程圖</p><p>　　發(fā)送數據采用查詢方式，波特率設置為9600波特，串行口工作在方式1（波特率可變10位異步通信方式），以TXD為串行數據的發(fā)送端，RXD為數據

82、的接收端，每幀數據為10位：1個起始位“0”、8個數據位、1個停止位“1”。其中，其實為何停止位在發(fā)送時是自動插入的。由T1提供移位時鐘，工作在方式2，由波特率的計算公式：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　式中SMOD為電源控制寄存器PCON的波特率加倍位，為0時不加倍，為1時波特率增加一倍，為系統(tǒng)時鐘。由式(4-1)可計算出T1的

83、計數初值X。</p><p><b>　　4.3　實驗結果</b></p><p>　　試驗結果如下面圖中所示，實際試驗中暫時只連接了一對超聲換能器。由于電源電壓不穩(wěn)，實驗板焊接連線較多，裸露部分造成的分布電容、電感對電路穩(wěn)定性有影響，單片機輸出信號也不太穩(wěn)定等因素，使比較器輸出波形也不是很穩(wěn)定，因此對輸出數據造成了一定影響。在軟件中可以在單個渡越時間測定之前增加發(fā)射

84、幾個脈沖信號，在脈沖信號輸出較穩(wěn)定之后再進行渡越時間的測定。</p><p>　　圖4-3　　單片機單獨調試時數據接收頁面</p><p>　　圖4-4　　單片機電路與超聲換能器電路連接時數據接收頁面</p><p><b>　　4.4　小結</b></p><p>　　本章詳細介紹了串行通信和單片機軟件程序流程，分析了

85、軟件執(zhí)行過程，并用實驗結果驗證了邏輯的合理性和正確性。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本文主要介紹了基于超聲換能器和單片機的室內微風傳感器的風速測量原理，硬件電路設計及單片機軟件設計，并用實驗驗證了硬件電路和單片機軟件邏輯的合理性和正確性。由于實驗條件限制，對風速測量的準確性和實時性需要進一步的改進。</p><

86、p>　　由于單片機晶振為24MHz，則中斷端口捕捉一次低電平需要兩個機器周期即1μs的時間。而在室內微風傳感器設計要盡量做到小體積的前提下，一對超聲傳感器的距離越小越好（本設計暫定為10cm左右），這樣單程測量的渡越時間約為300μs，而要想通過渡越時間計算出精確到0.1m/s的風速，就需要渡越時間測量至少精確到0.1μs，因此1μs的捕獲時間顯然太大了。針對這種設計中的不足，軟件程序采取了10倍測量路程的方法，即將測量單程的過程

87、循環(huán)10次，測取目的渡越時間的10倍。這樣將渡越時間的捕獲時間造成的誤差縮小到0.1μs，基本達到了測量要求，但這樣做又大大延長了測量過程，使風速測量的實時性降低了。因此，對于如何兼顧風速測量的準確性和實時性是一個有待改進的方面。</p><p>　　除此之外，電路還有許多有待改善的地方，以增強整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。</p><p><b>　　致 謝</b>&

88、lt;/p><p>　　四年的大學時光即將成為過去,首先要感謝陪伴我四年的母校安徽工業(yè)大學工商學院,是她給了我們這樣一個充滿朝氣的校園氛圍,有過成功的喜悅,也嘗過失敗的痛苦。并要深深感謝我的導師吳玉秀老師,自和吳老師做測室內風項目以來,正是他嚴謹的學風、和藹的態(tài)度將我們帶入科研的世界,在這里我們的動手能力得到了很大的提高,并且他對我們的嚴格要求將一直深深地影響到我今后的學習和工作,在此我謹向吳老師表示最真誠的感謝。&

89、lt;/p><p>　　其次,感謝我們的輔導員孟齊霞老師，是她在背后無微不至的關心著我，當我遇到問題時她非常耐心的幫助解決。他們誠懇的態(tài)度、嚴謹的作風深深地影響了我。</p><p>　　感謝鮑星星、劉晴晴、宋雨蓮、周寧同學,感謝我們在一起學習的過程中給我提出了很多好的建議與想法,解決了很多實際性的問題。在共同科研的道路上精益求精、艱苦奮斗的精神,讓我真正地明白任何成績都離不開團隊的合作。&l

90、t;/p><p>　　感謝5B-301這個大家庭,感謝大家為我所創(chuàng)造的良好學習與生活氛圍,在這里的四年將成為我一生中美好的回憶。</p><p>　　感謝我的父母,正是你們不懈的堅持才有我今天面對所有困難的勇氣,是你們的勤勞雙手撐起我的成功。</p><p>　　最后,感謝各位評閱及答辯老師,謝謝!</p><p><b>　　參考文獻

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106、lt;p><b>　　附錄（一）</b></p><p>　　/********************************************************************/</p><p>　　//*******************室內微風傳感器單片機控制程序*******************//</p>&l

107、t;p>　　//******功能：控制壓電超聲換能器工作并向上位機發(fā)送風速風向信息******//</p><p>　　/********************************************************************/</p><p>　　#include<AT89X55.H></p><p>　　#inc

108、lude<intrins.h></p><p>　　//**** 宏定義****//</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　//****子函數定義****</p><p>　　void pulse( ); //單脈沖信號（寬度為12.5μs）</

109、p><p>　　void delay( ); //延遲50ms</p><p>　　void delay250us( ); //延遲250μs</p><p>　　void delay180us( ); //延遲180μs</p><p>　　//****全局變量定義****//</p>

110、<p>　　volatile uchar U_Time[9]; //超聲標志位(0xee)+時間</p><p>　　uchar m; //超聲傳感器選通標號</p><p>　　uchar j; //超聲數據標號</p><p>　　uchar i; //超