超聲波風速儀的設計摘要風作為一種自然現象，它是影響氣候變化的最重要因素之一。本身又蘊藏著巨大的能量，能對人類活動產生重大影響。風能利用也已經成為解決全球能源問題的重要方案之一。風向風速測量儀用于測量目的地的風向風速，其測量到的瞬時風向風速，經計算處理可輸出瞬時風速風向值、平均風速風向值、最大風速等數據。基于超聲波的風速測量儀器結構簡單、無運動部件、使用壽命長，利用超聲波收、發換能器發送接收脈沖信號，沒有零點漂移，以上優點很好地克服了機械式風速風向儀固有的缺陷，因而能全天候地、長久地正常工作，越來越廣泛地得到使用。它將是機械式風速儀的強有力替代品。本設計采用STC89C52單片機作為模塊處理器，使用四個超聲波探頭，東西方向及其南北方向各放置一對超聲波探頭，通過測量兩對超聲波接收時間差，利用時差法分別計算兩個方向的風速，最后通過向量的疊加來實現風速的測量，包括大小及其方向。由于溫度對超聲波的傳播具有一定的影響，故在本設計中對聲波的傳播進行溫度補償，溫度補償的實現通過性能穩定的溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測，從而實現風速的補償。在通信模塊中，通過RS485通信技術，采用MODBUS協議，并且帶有CRC校驗，將單片機采集的數據經過處理計算上傳至上位機，實現上位機對風速的監測、存儲、分析，進而實現在上位機上完成數據的顯示、風速風向的測定值的顯示、歷史數據的查詢等擴展功能。超聲波的風速測量儀研究的目的是實現風速風向的自動測量，提高風速測量的精度，擴展風速測量范圍，進而取代目前國內市場上缺陷頗多的傳統機械旋轉型風速儀；引入RS485通信技術，使區域氣象監測更具自動化、智能化。關鍵詞：STC89C52單片機；超聲波;TDC-GP21；RS485通信；ABSTRACTThewindasanaturalphenomenon,itisoneofthemostimportantfactorintheimpactofclimatechange.Itselfhashugeenergy,whichcanhaveasignificantimpactonhumanactivities.Windenergyhasbecomeoneoftheimportantsolutionstosolvetheproblemofglobalenergy.Ultrasonicanemometerisusedtomeasurewinddirectionandspeed,themeasuredinstantaneouswinddirectionandspeed,thecalculationbycomputing,canbeoutputvalue,averagewindspeedanddirectionvalues,maximumwindspeeddata.Theanemometerbasedontheultrasonic,simplestructure,nomovingparts,longservicelife,senttosendandreceivepulsessignalbyultrasonictransducer,nozerodrift.Theadvantagesabovedistoovercometheinherentflawsofmechanicalanemometer.Soitcanworkaroundtheclock,normalforlong,moreandmorewidelyused.Itwillbeapowerfulalternativeofmechanicalanemometer.ThisdesignadoptsSTC89C52microcomputerastheprocessormodule.Itusesfourultrasonicprobe,theeast-westandnorth-southdirectionplacedapairofultrasonicprobe,bymeasuringthetimeofultrasonictransmittingandreceiving.Timedifferencemethodisusedtocalculatewindspeedandfinallygettingtheresultbyvectorsuperpositionincludingthesizeanddirection.Duetotheinfluenceoftemperatureontheultrasonictransmission,sointhisdesigntemperaturecompensationisused,therealizationoftemperaturecompensationbytemperaturesensorDS18B20thathasstableperformance,soastorealizethecompensationofwindspeed.Incommunicationmodule,throughtheRS485communicationtechnology,adoptstheMODBUSprotocol,andwithaCRCcheck.Themicrocomputercollectprocesseddatatouploadthefirstmachine,realizingwindspeedmonitoring,storage,analysis.Thepurposeofultrasonicanemometeristorealizetheautomaticmeasurementofwindspeedanddirection,improvetheaccuracyofmeasurement,expandingtherangeofwindspeedmeasurement.IntroductionofRS485communicationtechnology,maketheregionalmeteorologicalmonitoringmoreautomaticandintelligent.Keywords：Ultrasonic:STC89C52Chip;TDC-GP21;一RS485communication目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要IABSTRACTII\o"CurrentDocument"1前言1\o"CurrentDocument"1.1背景與意義1\o"CurrentDocument"1.2國內外研究現狀2\o"CurrentDocument"1.3設計的任務與要求3\o"CurrentDocument"1.4本設計的創新點3\o"CurrentDocument"2系統的總體方案設計與論證4\o"CurrentDocument"2.1系統的整體方案設計4\o"CurrentDocument"2.2系統的整體方案論證5\o"CurrentDocument"3系統的硬件設計6\o"CurrentDocument"3.1單片機簡介6\o"CurrentDocument"3.2超聲波的概述8\o"CurrentDocument"3.3電源模塊10\o"CurrentDocument"3.4風速儀的測速原理12\o"CurrentDocument"3.5超聲波反射接收模塊14\o"CurrentDocument"3.6485通訊模塊15\o"CurrentDocument"3.7溫度補償模塊17\o"CurrentDocument"4系統的軟件設計19\o"CurrentDocument"4.1計算風速算法的選擇19\o"CurrentDocument"4.2主程序流程圖21\o"CurrentDocument"4.3溫度測量部分的軟件設計21\o"CurrentDocument"4.4485通訊模塊的軟件設計23

4.5上位機軟件設計結論參考文獻25錯誤!未定義書簽。26錯誤!未定義書簽。25錯誤!未定義書簽。26錯誤!未定義書簽。1前言1.1背景與意義風作為一種自然現象，它是影響氣候變化的最重要因素之一。本身又蘊藏著巨大的能量，能對人類活動產生重大影響。風能利用也已經成為解決全球能源問題的重要方案之一。超聲波是彈性介質中頻率在20000Hz以上一種機械振蕩，它的產生由于跟介質相接觸的振蕩源所引起的。由于它具有很強指向性、優良的方向性、傳播的過程中蘊藏著巨大的能量以及較遠的傳播距離等優點，因此超聲波技術被廣泛的用于物體距離的測量、物體的厚度以及液位的確定等很多方面。除此之外，它的檢測方式是非接觸式的。與傳統的電磁、光學的測量方法，有很強的適應能力，在惡劣的環境下具有很強的實用性。當被測物處于惡劣的環境，比如電磁干擾、黑暗、灰塵、煙霧，能得到可靠地數據。傳感器技術是現代信息技術的主要內容之一。信息技術包括計算機技術、通信技術和傳感器技術，計算機技術相當于人的大腦，通信相當于人的神經，而傳感器就相當于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應用。利用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且測量精度能夠達到工業實用的要求。風作為一種自然現象，它是影響氣候變化的最重要因素之一。本身又蘊藏著巨大的能量，能對人類活動產生重大影響。全球能源危機日益加重，清潔能源的開發必然是發展的方向。目前，國內風力發電事業正開展的如火如荼，由此可知，風能的很多數據為風力發電站的建設提供了有力的證據。目前世界各地越來越重視對風參數的觀測研究。風向風速測量儀應用于測量目的地的風向風速,其測量到的瞬時風向風速，經計算處理可輸出瞬時風速風向值、平均風速風向值、最大風速等數據。在民航運輸中，風對飛機安全進場離場影響很大：飛機起降時必須根據近地面的風速和風向選擇適宜的起飛、著陸方向；低空風場情況復雜時，還會根據實際情況推遲或取消航班。所以，風的精確測量對飛行安全具有重要的意義。風向風速測量儀還廣泛地應用于氣象（為臺風數據提供準確的數據參考）、公路、橋梁（為建造公路、橋梁提供依據）、新能源（風能發電前期提供風能數據）等行業，前景廣闊。根據超聲波流體檢測技術，利用超聲波傳播時在不同的流體中流動時所呈現的信息不同，可以進行不同流體狀態的檢測。超聲波檢測技術在大氣監測方面得到廣泛應用，并且在工業生產方面，呈現出很多運用超聲波技術的測量儀器。隨著檢測技術的發展，智能化的發展趨勢下，傳統的儀器已經不能滿足要求，對風速檢測提出了更高的要求，研究一種基于超聲波技術的快速、精確、智能的風速儀是非常必要的。基于超聲波的風速測量儀器使用壽命長、結構簡單、無運動部件，利用超聲波收、發換能器發送接收脈沖信號，沒有零點漂移，以上優點很好地克服了傳統機械式風速風向儀固有的缺陷（自然因素影響較大，零點漂移嚴重，設備耗能大，使用壽命短等），因而能長時間的正常工作，由此超聲波風速儀被得到廣泛地使用。這將是傳統式機械式風速儀的強有力替代品，被認為是最為理想的測量方法之一。這種超聲波風速儀具有較大的測量范圍、維修較為方便等優點。超聲波的風速測量儀研究的目的是實現風速風向的自動測量，提高風速測量的精度，擴大風速測量范圍，替代國內市場上缺陷較多的傳統機械式風速儀；引入RS485通信技術，使區域氣象監測更具智能化，自動化；最重要的是填補了我國在超聲波風速儀這一領域的空白，追趕與歐美等國家在此領域的差距。1.2國內外研究現狀熱線風速計的誕生已有百年歷史。熱膜式風速計、熱線式在測量風速中占有重要地位。上世紀七十年代中期，數字、模擬處理技術的快速發展，加速了風速儀的產生，擴展了熱線熱膜風速計的信號分析能力。八十年代，隨著硅微機械加工技術的成熟，人們開始將硅微機械加工技術應用于風速儀的研究，這種成熟技術使得風速計很方便地應用于軍事領域。1989年國外出現了集成硅風向傳感器，這種傳感器所利用的方法是采用硅平面工藝技術，將放大電路與敏感元件集成在一起，四個溫敏電阻排布在正方形膜片的四個邊，膜片中心放置了一個加熱電阻。當風以一定方向吹向芯片時，可以將風速分解成X軸和Y軸兩個分量，四個溫敏電阻感受X軸和Y軸兩個分量的風速，進而引起電橋輸出變化。在芯片的內部集成有放大電路，輸出變化的信號進行放大處理后，分別得到兩個軸的風速值，將兩者值求取正切值即可判斷風向。這種傳感器可實現的風向測量范圍是360°。上世紀90年代，工程上測量風速的常用方法之一是用皮托管配壓力計。該方法一般用于測量2m/s以上的穩定氣流，對于低速氣流則無法測量。國外目前市場上呈現的風速計，其風速測量范圍為1-60m/s，誤差為±O.5m/s，風向測量為0—360°，角度誤差為±3°。國內生產用于氣象測量用的風速計的風向及風速傳感器的指標與國外相當，風向誤差為±5°。近年來，國外提出了新的方法，該方法采用的是超聲波測量技術，依此來進行風向及風速的確定。該技術的基本原理是根據超聲波流體檢測技術，利用超聲波傳播時在不同的流體中流動時所呈現的信息不同，可以進行不同流體狀態的檢測，在海洋觀測、醫療等方面都有著廣泛的應用。近十年來，基于高速數字信號的處理技術與微處理器技術的進步，超聲測量技術取得了巨大的進步，顯示了明顯的技術優勢，形成了強有力的發展勢頭。結合國內外技術現狀，立足于自主創新，研發一款實用的超聲風速風向測量儀，是市場的廣泛需要。1.3設計的任務與要求聲音在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風向相反，它的速度會變慢。我們可以在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數對應。通過計算即可得到精確的風速和風向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向。要求采用單片機，用超聲波傳感器加溫度傳感器及機械結構來實現風速的測量、計算、補償。與上位機采用RS485進行數據傳輸，協議采用MODBUS協議，CRC校驗。1.4本設計的創新點1、引進了太陽能技術，采用太陽能電池，，充分利用大自然的資源，達到了節能的目的。2、引入RS485通信技術，組建了區域內的氣象監測網，旨在終端檢測室就可了解該區域任意節點的風速、風向等氣象數據，使作品更具自動化、智能化。3、采用的精確測時芯片TDC-GP21，使測試時間更加準確，非接觸式超聲波風速測量比傳統旋轉接觸式測量的精度更高，彌補了傳統機械風速儀不能自動測量風向的缺點。2系統的總體方案設計與論證2.1系統的整體方案設計為完成超聲波風速儀的設計，采用STC89C52單片機作為模塊處理器，使用四個超聲波探頭，東西方向及其南北方向各放置一對超聲波探頭，通過測量兩對超聲波接收時間差，利用超聲波時差法分別計算兩個方向的風速，最后通過向量的疊加來實現風速的測量，包括大小及其方向。時差法是根據超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算風速，進而求得風向。順風超聲波信號在固定距離內的傳播時間將會減小，逆風超聲波信號在固定距離內的傳播時間將會增大。如果風速為零，信號雙向的傳輸時間相等，即與既定值相同。由于溫度對超聲波的傳播具有一定的影響，故在本設計中對聲波的傳播進行溫度補償，溫度補償的實現通過性能穩定的溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測，從而實現風速的補償。在通信模塊中，通過RS485通信技術，采用MODBUS協議，并且帶有CRC校驗，將單片機采集的數據經過處理計算上傳至上位機，實現上位機對風速的監測、存儲、分析，進而實現在上位機上完成數據的顯示、風速風向的測定值的顯示、歷史數據的查詢等擴展功能。采用本設計制作結合國外技術和國內現狀，立足于自主創新，進行實用型、經濟型超聲波風速儀的開發。本設計的總體框圖如圖1所示。2.2系統的整體方案論證超聲波風速儀的原理是利用超聲波的發射與接收原理，根據超聲波發射與接收的時間來計算風速。實用的測量方法是在東西以及南北方向各放置一對超聲波換能器，分別計算平面坐標X軸與Y軸方向的風速大小，采用向量疊加的方法，經過單片機的分析計算，得出風速的大小及其方向。當超聲波的傳播方向與風向相同時，超聲波在一對換能器之間的傳播時間將縮短。反之，當超聲波的傳播方向與風速相反時，超聲波在一對換能器之間的傳播時間將變長。例如：已知一對換能器之間的距離是20cm，超聲波的傳播速度是340m/s，當地風速是5m/s。無風是傳播時間為0.588ms；當超聲波傳播與風速相同時，傳播時間為0.580ms；當超聲波傳播與風速相反時，傳播時間為0.597ms；由以上舉例可以看出通過單片機STC89C52與TDC-GP21的密切結合，計算出超聲波傳播的時間，進而求得風速，在理論上是完全可以實現的。超聲波風速儀的分辨率取決于對單片機的選擇以及測時模塊的確定。本設計采用51單片機，32K的晶振富于單片機較高的處理速度，完全滿足風速的處理計算，其內有含有4kB存儲器、256BRAM存儲器，豐富的外設資源使其在實際中有著十分廣泛的用途。本設計中測時部分采用，采用德國acam公司發布的最新時間數字轉換器TDC—GP21作為數據采集芯片，利用其高精度的時間測量功能來實現超聲波測速，當超聲波發射時開始計時，接收到超聲波時停止計時，測量到的時間儲存到內部存儲內，單片機讀取即可得到超聲波在換能器之間傳播的時間，其測量范圍3.5ns(0ns)到2.5us。理論上滿足設計的要求。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。由于溫度對超聲波的傳播速度有一定的影響，故在本設計中添加了溫度補償模塊，以此來增加風速儀的精確度。在溫度補償模塊中采用的是DS18B20溫度傳感器，通過單片機的編程顯示溫度的測量。高精度的芯片的使用提高了風速儀的精度。該測量精度理論上完全滿足系統的要求。

3系統的硬件設計本系統的硬件設計包括處理器模塊、電源模塊、風速采集模塊、溫度補償模塊、通信模塊以及上位機模塊等。各個模塊的分析設計將在下面的文章中一一闡述。3.1單片機簡介本課題所設計的超聲波風速儀是基于單片機控制的，在電路設計之前，首先簡單了解單片機的內部構成、工作原理、性能特點。本課題所設計的超聲波風速儀是以STC公司的8位單片機STC89C52為核心的，在此簡單的介紹一下該單片機。單片微型計算機簡稱單片機，特別適合用于控制領域，故稱為微控制器(Microcontroller)o通常，在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構成了單芯片微型計算機，即單片機。故單片機只需要與適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統。單片機的構成包括CPU(微處理器)、RAM/Flash、I/O接口、各種外圍模塊等。單片機的內部結構如圖3.1.1所示｝數據存儲器了十卜：|定［，座數器￥L.i.izy:匚一好卜，"口械巾3控制總資I'廣｝數據存儲器了十卜：|定［，座數器￥L.i.izy:匚一好卜，"口械巾3控制總資I'廣TI?r*串行凈倍口*井行的uH」斷探統地址總統二TV二二\7誓由圖3.1.1單片機的內部結構圖可知，中央處理器(CPU)是通過內部總線(數據總線、地址總線、控制總線)與ROM、RAM、I/O接口以及定時器/計數器相連。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能OSTC89C52單片機擁有統可編程Flash和8位CPU，使得STC89C52在嵌入式控制系統中得到廣泛的應用。該系列單片機具有以下Flash8k字節，512字節RAM，I/O口線32位，內置4KBEEPROM，復位電路，16位

定時器/計數器，外部中斷，一個7向量中斷結構，全雙工串行口。此外，STC89C52支持2種軟件可選擇節電模式，可降至0Hz靜態邏輯操作。空閑模式下，CPU停止工作，允許中斷、RAM、串口、定時器/計數器繼續工作。掉電保護方式下，單片機一切工作停止、振蕩器被凍結、RAM內容被保存，直到下一個中斷或硬件復位為止。STC89C52RC單片機采用了高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。它是一個低功耗，高性能的CMOS8位單片機，片內含8KBytes的可反復擦寫100000次以上的Flash存儲器。STC系列的單片機出廠時就已完全加密，無法解密，可靠性高。STC89C52RC單片機處理速度快，頻率可以達到90MHZ，抗干擾能力強，可靠性高，并且它還兼有價格低廉，易于購買，性價比高的特點。其最小系統的硬件原理圖如圖3.1.2所示。VCCDO1dFIdF3DT7D6~77i?~n~IT~iTd-VCCDO1dFIdF3DT7D6~77i?~n~IT~iTd-u~20P1.0VccP1.1PO.OP1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTPQ.7P3.0/XXDEAWppP3一1”XDALE^PROGP3_24NT0PSH4P3-34NT1P2.7P3一4叩。P2.6P35T1P2.5P3一&WRP2.4P3-7/RDP2.3KTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0以34A533~A623B222^B121~BO40T39AO3S~Al37~AZ3^~A335~A425P2.424~B332A7~31~30AL三~~P2.6~~P2.5|vcc單片機是通過執行各種不同程序來工作的，CPU執行不同人們為滿足需要編寫的程序就能完成不同的運算任務，單片機執行裝載程序的過程就體現了單片機的基本工作原理。單片機與計算機CPU的工作原理是一樣的，主要是利用單片機內的半導體存儲器存放用戶的數據以及程序，單片機的核心--中央微處理器CPU包含有指令寄存器、指令譯碼器，程序計數器等，由程序計數器找尋要執行的指令，通過內部操作將指令送給指令寄存器，再由指令譯碼器翻譯并執行該指令，完成對指令功能的操作。單片機的工作就是不斷地取指令、分析指令、執行指令的循環過程。按用戶預先編寫的程序一步一步的執行，進而達到用戶期待的結果。指令是一種可以供機器執行的控制代碼，故它又稱為指令碼(InstructionCode)。指令碼由操作碼(OperationCode)和地址碼(AddressCode)構成：操作碼表示指示CPU要執行的操作；地址碼用來說明操作數的位置，即寄存器的地址。其格式為：操作碼地址碼指令碼的二進制形式既不便于書寫，又不便于記憶，因此人們通常采用助記符的形式表示指令碼。指令的全體集合稱為指令系統(InstructionSystem)o微處理器的類型不同，其指令系統也實不一樣的。所謂程序就是根據用戶需要編寫的指令的全體集合。單片機主要用途是用作生產設備的控制器，比如作為智能儀表的核心部件。由于單片機微小的體積，因此它可以植入設備和儀表中，因此它也是嵌入式技術的核心部件，比如作為手機的內核，用來管理用戶的圖片，自動收、接短信等，可以上網，負責與運營商的主機交換信息等等。還常用作智能煤氣表的核心部件。基于美國的德州儀器生產的單片機MSP430為核心的智能煤氣表，功耗極低，耗電在幾微安左右，這種儀器儀表被廣泛應用于石油化工煤氣等防爆等級高的場合。除此之外還被廣泛應用在數控車床，單片機作為控制核心控制部件使用，可以接受圖形指令，自動完成對工件的加工工作等等。3.2超聲波的概述超聲波是彈性介質中頻率在20000Hz以上一種機械振蕩，它的產生由于跟介質相接觸的振蕩源所引起的。由于它具有很強指向性、優良的方向性、傳播的過程中蘊藏著巨大的能量以及較遠的傳播距離等優點，因此超聲波技術被廣泛的用于物體距離的測量、物體的厚度以及液位的確定等很多方面。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒振動的頻率超出了人耳聽覺的上限頻率，人耳所能聽到的聲音頻率是20赫茲到20000赫茲之間。這種人耳聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波的本質是一種機械振動模式，是一種能量的傳播形式，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，但是其與一般聲波在戒指中傳播的不同是其頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。由于它具有很強指向性、優良的方向性、傳播的過程中蘊藏著巨大的能量以及較遠的傳播距離等優點，故其被廣泛地應用于測速、清洗、測距、焊接等方面。在工業、軍事、醫學、農業上有著廣泛的應用。為了研究與利用超聲波，在超聲波領域已經制成了眾多超聲波發生器。超聲波發生器可以分為兩大類：(1)電氣方式產生超聲波，(2)機械方式產生超聲波。較為常用的是壓電式超聲波發生器。壓電式超聲波發生器利用諧振的壓電晶體來工作的。壓電式超聲波發生器有一個共振板和兩個壓電晶片。當外加脈沖信號加于兩極，壓電晶片的固有振蕩頻率與脈沖頻率相同時，兩者將會發生共振，在共振的作用下帶動共振板振動，這樣便產生了超聲波。反之，如果在兩電極間沒有外加電壓，在共振板接收到超聲波是，這樣便會壓迫壓電晶片振動，這種機械運動將機械能轉換為電信號，這樣便就成為了超聲波接收器。超聲波換能器是利用壓電效應的原理，壓電效應分為順效應和逆效應，超聲波換能器是可逆元件，超聲波發送器就是利用壓電逆效應的原理。以上所述的壓電逆效應原理如圖3.2.1所示。在壓電元件即壓電陶瓷上施加電壓，元件就會產生變形，被稱為應變。若在圖a所示的己極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，由于壓電陶瓷的極化正電荷與外部正電荷相斥，與此同時，極化負電荷和外部負電荷相斥，由于兩者相斥的作用，壓電陶瓷在長度方向上伸長，在厚度方向上縮短。若外部施加外部電壓與圖b的極性相反，如圖c所示，壓電陶瓷會發生相反的應變，即在長度方向上縮短，在厚度方向上伸長。圖3.2.1壓電逆效應超聲波換能器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節點。金屬板的中心有圓錐形振子。發送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，能產生高效率的高頻電壓。超聲波接收器是利用壓電效應的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發生應變，則產生一面為正極，另一面為負極的電壓。若接收到發送器發送的超聲波，振子就以發送超聲波的頻率進行振動，于是，就產生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。采用雙晶振子的超聲波換能器，若在發送器的雙晶振子上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。3.3電源模塊當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力。本設計的其中一個創新點就在于此，采用太陽能電池，太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式，發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體，不會對環境造成污染。當有太陽能攝入時，直接給單片機、超聲波換能器等設備供電，并且對蓄電池充電。當太能能量不能達到芯片的電壓要求時，由蓄電池給系統供電。太陽能電池是通過光化學效應或是光電效應直接把光能轉化成電能的裝置。太陽能電池的工作原理是太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在結電場的作用下，光生成電子流向n區，光生成空穴流向p區，電路導通后就連接成回路，形成電流。太陽能發電有兩種方式，一種是光一電直接轉換方式，一種是光一熱一電轉換方式。本設計選用的是光一電直接轉換方式的太陽能電池板。本設計中多需要的電壓有51單片機的工作電壓5V，TDC-GP21的工作電壓2.5-3.6V，采用的超聲波工作電壓是3.3V.由以上的電壓等級，電源模塊的具體設計如下：通過太陽能電池的串并聯以及穩壓芯片7805產生5V的系統電壓，并且在適當的時間給蓄電池充電。3.3V電壓的產生采用芯片ASM1117-3.3，由于其工作電壓是3.6V-15V，5v的電壓完全滿足芯片的工作電壓。78**系列的穩壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓比輸出電壓（3-4）V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間。為使工作電源穩定，設計中給芯片7805的輸入電壓是12V。通過太陽能電池板的串并聯產生12V的電壓，給芯片供電。硬件電路圖如圖3.3.1所示。

圖3.3.1產生5V電壓的硬件電路圖TDC-GP21新品的核心工作電壓Vcc與I/O的工作電壓Vio是相互獨立的，但是他們的電壓范圍是相同的，其范圍是2.5-3.6V,Vio>Vcc。產生此電壓的硬件電路如圖3.3.2所示。圖3.3.2核心電壓以及I/O工作電壓硬件原理圖3.3V電壓的產生采用線性穩壓器ASM1117-3.3芯片，其工作電壓是3.6V-15V。AMS1117是一個低漏失電壓調整器，它的穩壓調整管是由一個PNP驅動的NPN管組成的，漏失電壓定義為：Vdrop=Vbe+Vsa.AMS1117有固定和可調兩個版本可用，輸出的電壓可以是：1.2V,1.5V，1.8V,2.5V,2.85V,3.0V,3.3V和5.0V。本設計的芯片輸入電壓是5V，輸出電壓是3.3V，用來滿足TDC-GP21的芯片工作電壓要求。其硬件電路如圖3.3.3所示：圖3.3.3產生3.3V電壓的硬件電路圖3.4風速儀的測速原理超聲波風速儀的原理是根據超聲波的發射與接收原理，通過超聲波發射與接收的時間來計算風速。采用的是時差法。時差法是根據超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算風速，進而求得風向。本設計中，一對超聲波換能器之間的距離S是已知量，只要通過單片機讀取發射接收的時間差T，速度V的計算公式：V=S/T即可求得一個方向的風速。順風超聲波信號在固定距離內的傳播時間將會減小，逆風超聲波信號在固定距離內的傳播時間將會增大。如果風速為零，信號雙向的傳輸時間相等，即與既定值相同。實用的測量方法是在東西以及南北方向各放置一對超聲波換能器，分別計算平面坐標X軸與Y軸方向的風速大小，采用向量疊加的方法，經過單片機的分析計算，得出風速的大小及其方向。當超聲波的傳播方向與風向相同時，超聲波在一對換能器之間的傳播時間將縮短。反之，當超聲波的傳播方向與風速相反時，超聲波在一對換能器之間的傳播時間將變長。例如：已知一對換能器之間的距離是20cm，超聲波的傳播速度是340m/s，當地風速是5m/s。無風是傳播時間為0.588ms；當超聲波傳播與風速相同時，傳播時間為0.580ms；當超聲波傳播與風速相反時，傳播時間為0.597ms；由以上舉例可以看出通過單片機STC89C52與TDC-GP21的密切結合，計算出超聲波傳播的時間，進而求得風速。由前面的內容我們對單片機STC89C52已經有了深入的了解，下面對TDC-GP21芯片做詳細論述。TDC-GP21的全稱是時間數字轉換器。TDC-GP21是ACAM公司的產品，它具有高精度以及小的封裝，廣泛應用于工業領域。其內部具有高脈沖發生器，停止信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能。芯片的特性如下：測量范圍：雙通道典型精度90ps；單通道雙精度45ps；測量范圍3.5ns(0ns)濟南大學畢業設計至02.5us；20ns最小脈沖間隔，最多接受4個脈沖。模擬輸入部分：斬波穩定低噪聲比較器；2個模擬開關作為輸入選擇；外部電路僅需要2個電阻和2個電容。溫度測量單元：2或4個傳感器；PT500/DS18B20或者更高；集成的施密特觸發器;應用外部施密特觸發器為16位有效精度；對于伯電阻來說0.004°C分辨率），應用內部集成低噪聲施密特觸發器為17.5位有效精度（對于伯電阻來說0.0015C分辨率），超低電流功耗（0.08uA當每30秒測量一次時）。綜述：4-線制SPI接口；測量范圍1當中最高可以測量每秒鐘一百萬次；I/O電壓2.5V到3.6V；核心電壓2.5V到3.6V；溫度范圍-40C到+85C；QFN32封裝。TDC-GP21的管腳圖如圖3.4.1所示。G(X)gCNogojz精確測時芯片GP2134567SXINXOUTVioGNDFirelG(X)gCNogojz精確測時芯片GP2134567SXINXOUTVioGNDFirelFiie2F±re_InTMTN口口Awd口胡II-UH

L&-胡—UHPT1PT2VioGNDPT3PT4LoadTSense!242322212DTgnn在本次設計中用的引腳有：5,FIRE_UP,脈沖發生端口1；6,FIRE_DOWN，脈沖發生端口2；9,SSN,串行接口從機選擇；10,SCK，串行接口時鐘；11,SI,串行接口數據輸入；12,SO,串行接口數據輸出；13,RSTN,復位輸入；27,STOP2,Stop通道2；30,STOP1,Stop通道1。通過單片機對這些引腳的編程控制，是單片機發出4KHz的超聲波，經超聲波換能器發射然后另一個換能器接收，單片機讀取發射有接受之間的時間差。TDC-GP21測時模塊硬件電路圖如圖3.4.2所示

VDD二XH7XOUTVieGNDFirsLFireilFire_InLNTN置E『一*5占一豎3Q號呂R一君SVDD二XH7XOUTVieGNDFirsLFireilFire_InLNTN置E『一*5占一豎3Q號呂R一君S五一PT1PT1VioGKDPTSPT4Lffi.dTSaiseT.宥善瀏葉二片||'GMD苫注IBOMss:C14l：-pF3.5超聲波反射接收模塊在超聲波應用系統中，系統接收信號的大小和質量直接取決于發射傳感器的驅動信號。本設計中超聲波的發射接收模塊采用的是GP21芯片與超聲波換能器的配合使用，輸入信號大小以及質量由GP21的芯片內部的電路決定，在實際的操作中，我們只需要在芯片的5、6引腳分別接入超聲波發射、接收換能器，然后通過單片機編程產生40Kz的超聲波。單片機編程產生的聲波經5引腳的發射換能器發射，經過一段時間后由6引腳的換能器接收，這樣就實現了超聲波的發射與接收。超聲波換能器模塊的硬件電路圖如圖3.5.1所示。起聲波換能器（發射）起聲波換能器（發射）133。33。N~—L-C233。33。StopL~TLftnF_C0G—超聲波換能囂（接收）L-k超聲波換能囂（接收）L-klftnF_CDG—GMJ圖3.5.1超聲波換能器的硬件電路圖3.6485通訊模塊在超聲波風速儀的實際系統中，上位機與傳感器之間需要進行風速風向等數據的傳輸，為了確保在數據傳輸的過程中，數據的可靠性，本系統采用RS485總線技術進行通訊。在測量領域與工業控制最為高效的網絡之一是物理層采用RS485通訊接口結束所形成的工業控制設備網絡。這種通信接口技術可以簡便地將眾多通訊設備構成一個控制網絡。在數據傳輸可靠性、傳輸距離、傳輸速率等方面的來看，RS485總線通信模式數據傳輸速率較高、通信距離長、結構簡單、價格低廉等優點，被應用于監控報警儀器儀表、樓宇控制、智能化傳感器集散控制等眾多領域。RS485總線是一種常見的串行總線標準，采用差分接收與平衡發送的方式，故其具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米的時候，RS485總線是被應用最為廣泛的總線，而且在多節點的工作系統中也有著廣泛的應用。RS485電路總體上可以分為隔離型與非隔離型。隔離型比非隔離型在抗干擾、系統穩定性等方面都有更出色的表現。RS-485接口采用的是差分信號的傳輸方式，具有抗共模干擾的優點，如果當傳輸信號的共模電壓超出485接收器的極限電壓，即大于+12V或小于一7V時，接收器不能正常工作了，在較為嚴重的情況下，甚至會燒毀芯片，毀壞儀器設備。解決此類問題的方法是RS-485收發器的電源與DC-DC電源隔離；通過隔離器件將收發的信號隔離，這樣就能更好的消除共模電壓的影響。實現此方案的途徑可分為兩種。一種是的傳統方式：用RS-485芯片、帶隔離的DC-DC、光耦構筑電路；另一種有效地方式是使用集成芯片，如ADM2587E。RS485是多點標準，它容許每條總線上有總共32個驅動器與接收器的任意組合。為了可以進行多點工作，RS485通信還特別要求驅動器自身具有必須處理總線爭用問題的能力并且不導致任何損害。485通信技術的另一個重要的優勢是大的共模范圍。對于內置驅動器的過載保護，要求在最壞的狀況下485總線也能保持正常工作，保證

總線不受損害。通過驅動器的片內熱關斷電路和短路電流限制，可以達到485通信的要求。短路電流限制電路可以確保在輸出電流達到了共模電壓范圍的極限值時，也絕不會超出485通信要求的規定。除此之外，這些器件采用了一條反送電路，只要競爭電壓超過電源電壓，就能自動的減小短路電流，以此來降低功耗。當主線發生短路時，這些器件具有熱關斷的特性，只要沖模溫度過高，就會禁止驅動器工作。這樣就可以消除功耗，降低沖模的溫度。在沖模溫度下降15度左右以后，驅動器就會自動使能，進入正常工作狀態。在熱關斷期間，接收器仍保持工作。低功耗關斷模式，只要收發器與驅動器同時禁止，在50ns以內絕對不會進入關斷狀態。收發器與驅動器從關斷狀態到使能，其實時間會延長。485的電氣特性：邏輯〃1〃以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示；邏輯〃0〃以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示。接口信號電平較低，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米。隔離型RS485總線典型電路如圖3.6.1所示。6NU7GHD4S57CC4SJKLOj.Ik圖3.6.1光電隔離RS485典型電路6NU7GHD4S57CC4SJKLOj.Ik隔離雖然能有效的抑制高共模電壓，但總線上還會存在浪涌沖擊、電源線與485線短路、雷擊等潛在危害，所以我們一般會在總線端采取一定的保護措施。一般我們會在VA、VB上各串接一個4?10Q的PTC電阻，并在VA、▼8各自對地端接6、8V的TVS

管，當然也可用普通電阻與穩壓二極管代替。更多的還可以加熱保險絲、防雷管，不過并不是說這些加的越多越好，具體要看實際應用，如果這些保護太多的話，也會影響到整個系統的節點數，與通信穩定性。當收發時序不匹配時，485是半雙工的通信，收發轉換是需要一定的時間的，所以一般在收發轉換之間，和每發送完一幀數據之后，都要有相應的延時，如果出現收發不正常、或第一幀數據之后就出現誤碼現象，則可以適當的增加一下延時時間，以觀問題是否解決。異步通信數據以字節的方式傳送，在每一個字節傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現握手。為防止干擾信號誤觸發RO（接收器輸出）產生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態，建議RO外接10kQ上拉電阻。通信采用工業上常用的RS485通信，其優點是使用差分信號，抗干擾能力強，可支持的節點多，即有多站能力，通信距離遠等。485芯片采用ISL8487芯片，最多可支持128個節點°ISL8487中具備限斜率功能的驅動器降低了電磁干擾，器件的傳輸速率高達250kbpsVDD接收器（Rx）輸入端具有“斷開時自動預防故障”的特色設計，確保在接收器的輸入端漂浮時接收器的輸出端處于邏輯高電平。驅動器（Tx）輸出端具有電路保護功能，即使在電壓超出電源電壓時也起作用。這些半雙工期間使Rx的輸入端與Tx的輸出端可進行多路傳輸，這樣在8引腳封裝中就可以容納具有Tx和Rx禁止功能的收發器。當功耗變得過大時，片內的熱管段電路就禁止驅動器的輸出端以避免損害。利用ISL8487芯片搭建的硬件電路圖如圖3.6.2所示。VDD||iGNDU1ggVcc'REB/ZDEA/YDIGNDISLS487EIPZ—GND||iGND圖3.6.2485通訊模塊的硬件電路圖3.7溫度補償模塊在影響超聲波測距誤差的因素中，溫度的影響是比較大的。本模塊設計采用性能穩定的溫度傳感器18b20，溫度檢測和溫度補償計算應用STC89C52單片機系統。超聲波的傳播速度在不同溫度下是不同的，其傳播速度與環境溫度T的關系如表3.7所示。表3.7超聲波波速與溫度的關系表溫度T(C)-30-20-100102030100聲速C(m/s)313319325323338344349386空氣中超聲波傳播速度與溫度的函數關系用圖表表示如圖3.7.1所示。圖3.7.1超聲波傳播速度與溫度的函數關系圖由上圖的函數關系可知，兩者的函數表達式為：C=1.05T+323用常溫下的超聲波速度341m/s來計算不同溫度環境下的超聲測距的距離是有很大誤差的。為了提高測距精度，我們必須對超聲波的速度進行溫度補償，用溫度傳感器測得環境溫度的數值，從而得到該環境下的超聲波速度。為簡化硬件電路設計,本系統溫度補償采用DS18B20溫度傳感器,模數轉換方面很方便，不需要數字量與模擬量之間的轉換。DSl8B20溫度傳感器應用的是9位二進制數。傳感器的敏感元件所感受到的信息經過單線接口送入DSl8B20溫度傳感器或者是從DSl8B20溫度傳感器送出，因此從主機單片機到DSl8B20溫度傳感器僅需一條線，即可完成溫度信息的傳送。DSl8B20溫度傳感器在供電方面，其工作電源可以由數據線自身提供,而不需要附加外部電源。由于每一DSl8B20溫度傳感器在出廠時其序列號是唯一確定的，因此任意多DSl8B20溫度傳感器可以掛在同一條數據總線上，它們之間的工作是相互獨立的，彼此之間不會影響，基于這個優點，可以在不同的地方放置溫度傳感器DS18B20ODSl8B20溫度傳感器的測量范圍從-55到+125。DS18B20溫度傳感器測溫度分辨力為0.5°C,當測量系統需要更高的精度時,采取直接讀取DS18B20內部暫存寄存器的方法,其分辨力高達0.1-0.01C。本模塊設計采用性能穩定的溫度傳感器18b20,溫度檢測和溫度補償計算應用STC89C52單片機系統。由于芯片采用1-wire總線方式，不需要外圍調理電路，可以和單片機直接相連，控制簡單易行。單片機可以實時讀取溫度的數值，從而計算出該溫度下的超聲波速度，完成對超聲波速度溫度的補償檢測溫度的硬件原理圖如圖3.7.1所示。L15CR610K_32Vcc117T1LL.I/OGNDGNDDS18B20圖3.7.1溫度檢測硬件原理圖4系統的軟件設計風速測量系統中，傳感器部分主要負責風速的測量，并將測量值以485通訊的方式發送給上位機（主機）。主機完成人機交互功能，并接收來自下位機（傳感器部分）的風速值，根據算法對數據進行處理。超聲波風速儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序、溫度測量程序、485通訊程序以及上位機程序組成。4.1計算風速算法的選擇超聲波風速儀的原理是根據超聲波的發射與接收原理，通過超聲波發射與接收的時間來計算風速。采用的是時差法。時差法是根據超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算風速，進而求得風向。本設計中，一對超聲波換能器之間的距離S是已知量，只要通過單片機讀取發射接收的時間差T「T2.T】表示X軸的傳播時間，T2表示Y軸的傳播時間。X軸速度Vx的計算公式：1212Vx=S/T1同理求的Y軸的速度匕。故速度的計算公式為：V=\VX2+匕2即可求得風速V。時間T1、T2的確定是通過TDC-GP21芯片實現的，當超聲波經發射探頭發射時，芯片開始計時「當超聲波換能器接收部分收到信號時，停止計時。時間T的時長的確定是在單片機程序的控制下芯片自動完成的，并不需要另外的定時器。單片機只要讀取芯片存儲器內的數據即可。由于在設計中采用了兩對超聲波換能器，分別測量X軸以及Y軸的風速，最后通過向量疊加計算出總的風速，進而得出風向。X軸的風速大小用七表示，Y軸的風速用大小匕表示，通向量疊加得出實際的風速V。向量疊加的原理如圖4.1所示。'圖4.1向量疊加原理方向角B=arctanx通過泰勒展開式近似確定，正切函數的泰勒展開式如下所示：arctanx=x-x"3/3+x"5/5-x"6/6+x"7/7其中，X=Vy/Vx若方向角BV90°，則說明方向是東偏北B；若90°VBV180°，則風向是北偏西3-90°；若180°VBV270°則方向是西偏南B-180°；若270°<3<360°，則風向是南偏東3-180°。4.2主程序流程圖主程序的流程是，首先系統進行初始化，包括單片機、通訊模塊、各個寄存器以及超聲波換能器的初始化。然后檢測各個模塊是否正常工作，包括電源供電的可靠性等，當模塊正常工作以后開始數據的采集，數據采集部分包括發射超聲波，接收超聲波等，接下來單片機讀取時間差T，并進行一次風速計算，包括風速，風向等，計算結果存儲到存儲器內，立刻進行下次時間的采集，風速的計算。若兩次風速大小的差值在10%以內，則計算風速大小的平均值，并且經485通信上傳至上位機，在上位機上顯示此時的風速、風向。主程序的流程圖如圖X所示。圖X主程序流程圖4.3溫度測量部分的軟件設計溫度測量部分采用DS18B20，其溫度采集的程序如下:voidw_byte(uchardat)//寫字節(uchari;for(i=0;i<8;i++)(DQ=0;delay_15us();//15us的延時函數DQ=dat&0x01;delay_45us();//15us的延時函數DQ=1;dat=dat>>1;//可能延時}}ucharr_byte()//讀字節(uchari,val;for(i=0;i<8;i++)(DQ=0;delay_6us();D