论文总字数：20195字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1绪论 3

1.1课题背景 3

1.2 三杯式风速计的原理 3

1.3我国的风速等级划分 4

1.4论文的主要工作 4

2风速计的种类及特点 5

2.1风杯式风速计 5

2.2螺旋桨式风速计 6

2.3热线式风速计 6

2.4数字式风速计 7

2.5声学式风速计 7

3 风速计电路的设计 8

3.1 所有模块介绍 8

3.1.1 QS-FS01风速传感器 8

3.1.2 STC89C52单片机 9

3.1.3 LCD1602液晶显示器 10

3.1.4 ADC0804转换器 10

3.2 电路的连接 11

3.2.1 A/D转换器与单片机 11

3.2.2 蜂鸣器报警电路 11

3.2.3 晶振电路 12

3.2.4 LCD1602显示电路 12

3.2.5调零电阻电路 12

3.2.6 复位电路 13

3.2.7 风速传感器电路 13

4 电路的软件实现 13

4.1系统的软件介绍 13

4.1.1 Keil uVision4软件 13

4.1.2 Proteus软件 14

4.2 程序设计 14

4.2.1 ADC0804转换器模块 14

4.2.2单片机数据处理传输模块 14

4.2.3 LCD1602液晶显示模块 15

4.2.4蜂鸣器模块 16

4.2.5程序总流程图 16

5设计的仿真与使用 17

5.1电路的仿真 17

5.2 硬件的调试 19

6总结与展望 20

6.1 总结 20

6.2 展望 21

参考文献 22

致谢 23

附录 24

基于51单片机的风杯式风速计

苏国乐

，China

Abstract:The application of anemometers take a important part in the field of meteorological station, navigation and field study. Among various anemometers, wind-cup anemometer is one of the most widely used. The wind-cup anemometer introduced here is designed by STC89C52 single chip microcomputer. Its hardware parts are QS-FS01 wind speed sensor, LCD1602 liquid crystal display, ADC0804 converter, buzzer and so on. The program were written on the Keil uVision4, and Proteus  simulation was used to confirm the connection between the devices. The function of this anemometer is monitoring the size of the wind speed. The wind speed and grade would be displayed on the liquid crystal display panel through analog-digital converter, and when the wind velocity is too large (more than 8 meters per second), the buzzer would give an alarm, with the red light keeps flashing.
  

Key words：wind speed；single chip；sensor；buzzer

1绪论

1.1课题背景

晒在外面的衣服会被风吹干，停留在水面的帆船能够在风的推动下在水里飘动，当我们热的时候有风吹过会感觉很凉爽，这就是风，它是一种常见的自然现象，和我们的生活息息相关，对我们的影响十分巨大，当然在其中有好的作用也有坏的作用，好的方面是在风力大小合适的时候对改良农田情况能够起上巨大的作用，由于风可以将大气中的二氧化碳、氧气、热量等等互换，为农作物的生长提供优良的环境，为农民带来丰收，同时也可以帮助许多植物的播种和传播。当然坏的方面也不少，风速过大时往往会造成恶劣的影响，直接的表现有土壤的风蚀沙化，吹起沙尘破坏环境，农田遭到毁坏，作物受到伤害，树木断折，花果掉落，从而影响产量，也造成了危险，特别还对于海上的船只，狂风暴雨更有可能给船上人员带来生命危险。间接的表现则体现在传播病虫和扩散污染物等上，会使更大范围的植物受到病害，而高空风同时也是各种害虫长距离飞行的必要条件，让它们到其他地方破坏各种植物。在我国的北部和西北等内陆地区，大多为干旱地区，而在这里过度开发必然让风侵蚀，从而形成沙漠化，比如说我国的海拉尔地区在这20年黑土层已被吹蚀20多厘米，后果十分严重。大风对牧业的影响也很大，容易吹散开牲畜群，从而形成经济方面的损失。总而言之，风对农牧业的影响相当巨大，而风的影响力也不仅仅体现于此。

在我国，风力资源可以说是极为丰富，是世界上最为丰富的国家之一，而通过风力发电是一种极为有前途的新型发电方式，同时也是极为环保的方式，它取之不尽用之不竭。我国是一个人口大国，且资源分布不均，所以有的地方对电力的需求极为巨大但是却没有足够的资源，这样就可以在我国风力资源丰富的地方设置风力发电站，可以缓解对电力需求的压力。在历史上使用风力发电早有国家去尝试过，像丹麦、苏联等等研制出了小型的风力发电机，不过英文技术还不怎么成熟，所以发电量很小，如今随着科技的发展，技术越来越好，所以我们国家也要跟上发展的潮流，使用像风这样的清洁能源去发电。那是什么会影响到风力的大小了，是风速的大小，所以对风速的研究至关重要，掌握了风速的大小才能掌握风力发电这种新型的资源。

1.2 三杯式风速计的原理

三杯式风速计是使用三杯式风速传感器工作的，它的测风原理是将机械信号转换成数字信号，然后通过有线或者无线的方式将数据在最终端显示，本论文做的是用有线的方式在最后显示屏上面显示。

三杯式风速传感器的关键器件是风杯。开始起风后，假设风的来向是左边，则此时风杯1是平行于风的来向的，风对风杯1的压力在垂直于风杯轴方向上的分力几乎为零。而此时风杯2与3同都与风向成60度角相交，风杯2此时是凹面面对着风，风杯3是凸面面对着风，这样风杯2就比3承受了更大的风的压力，而由此产生的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越快，产生的压差越大，则启动速度则越大。

当风杯工作起来时，风杯2在其中是顺着风工作的，所以风对其的压力越来越小，而风杯3此时需要有同样的速度，而它却是逆着风的，所以风对其的压力开始变大，这样风压差越来越小，所以当风速不变时，风压差就变味零，风杯就开始作匀速转动，即可通过电路与风杯转速成正比的脉冲信号，再由计数器计数经换算后测出风速的大小。

1.3我国的风速等级划分

流动的空气被称为风，所以空气流动的速度大小就决定了风的大小，早在我国历史上的唐朝，李淳风根据风对物体的影响来划分等级，可以说是世界上最早的对风力的划分，后来直至1805年，英国海军上将弗朗西斯·蒲福系统地给风力划分了等级大小，分的依据是看风对陆面或者海面的影响程度而分，在当时他把风的大小分为了0至12级，也就是共13个等级，但是后来随着人们对风速的测量越来越准确，发现了远远大于12级的风速，所以对风速的等级进行了扩展，变为0至17级共18个等级（琼海的一次台风中心风速曾经达到73米每秒，被定义为18级)，不过为了纪念弗朗西斯·蒲福做出的贡献，风级表是以他的名字来命名的。如今的天气预报的发布，大多用的也是风力的等级，我国并规定了风级在12级及以上的风为台风。

在本设计中，因为本地区无法出现等级很高的风，且在人力的作用下也无法达到等级很高的风，然后在看蒲福风级表的时候，发现风级为5的时候风速已然不小，所以综合考虑下设置蒲福风级大于等于5级的时候，也就是风速大于8米每秒时，蜂鸣器开始工作发出报警声，红灯开始闪烁。

下图1-1为扩展后的蒲福风级表：

图1-1 蒲福风级表

1.4论文的主要工作

本设计主要是利用风杯式风速传感器测出风速的大小，在深入了解了风杯式风速传感器的原理后，再加上对于仿真软件运用的掌握后，本论文主要开展以下研究内容：

1、在第一章主要讨研究风速的背景和意义，介绍三杯式风速计的工作原理和我国的风速等级的划分，最后写本论文的主要工作；

2、在第二章主要是介绍了不同种类的风速计以及它们的工作特点；

3、在第三章是对本设计的硬件进行比对、分析和选择，和对一些设计中使用到的重要的器件的介绍，还有元件之间的连接；

4、在第四章主要是对本设计需使用到的软件的简单介绍，还有对单片机控制系统的程序的编写和介绍以及工作的流程图；

5、第五章是对设计好的风速传感器的调试，并对出现的问题的分析和解决，在实际中的实验使用，检验设计的是否成功；

6、在末尾对全文进行归纳，分析其中的缺陷，和对以后的发展讨论。

本设计主要是采用QS-FS01风速传感器、STC89C52单片机、LCD1602液晶显示屏、ADC0804的AD转换器为主要器件构成风速计。通过风速传感器感受到的风产生的电压信号输入到A/D转换器里，转换为数字信号，通过编写程序将风速的大小最终在液晶显示屏上显示。实现的功能就是在液晶显示屏上显示出风速的大小和风速的等级，并在风速大于8米每秒时通过蜂鸣器报警。

2风速计的种类及特点

风速计是测量风速大小的仪器，有许多种类，而最为常见及在生活中运用最为广泛的是风杯式风速计，它通常由三个或者四个半球形的空杯构成它的感应部分，空杯的凹面都指向同一个方向，之后将其安装稳定在一个竖直的旋转抽上，在风的吹动下转动，产生一个正比于风速的转速。

2.1风杯式风速计

它（如图2-1）是一种很常见的风速计，也是性价比相当高的风速计。风杯式风速计有着悠久的历史，在19世纪由英国的Robinson发明的，在当时使用的是四杯，之后改进成三杯。它由三个互成120°的半球形的风杯构成，垂直装在一个可以旋转的轴上，在风的吹动下受到扭力矩开始绕轴转动，并在风速增大时，转速也随之增加，风速减小时，风杯的速度也随之下降。转速的大小可以通过多种方式来记录。

ZK-16024型的风速传感器是一个便携式的风杯式风速传感器，功能相当齐全，可以测试瞬时风速、平均风速、风速的等级等等。体积小，容易携带，操作简单。

图2-1 风杯式风速计

2.2 螺旋桨式风速计

它（如图2-2）是由一组三叶或四叶螺旋桨构成的，并在水平轴上转动工作的风速计，具有良好的流线型，它可以测量风速和水平风向，在气象观测台、岛屿、大型船只等地方广泛使用。螺旋桨是装在风标的前半部分的，这样就可以让旋转平面从始至终面对风的来向，它的转速是和风杯式风速计一样，都是正比于风速大小的。

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