论文总字数：14910字

目 录

1. 绪论 1

1.1. 常见风速仪的介绍与优缺点比较 1

1.1.1. 旋转式风速表 1

1.1.2. 压力式风速仪 1

1.1.3. 热力式风速仪 1

1.1.4. 声学风速仪 1

1.2. 研究课题的目的和意义 1

1.3. 海内外对超声波研究使用研究的发展 2

1.4. 论文的主要研究内容 3

1.5. 本章小结 3

2. 超声波风速仪的总体设计 4

2.1. 超声波测风方式的选择 4

2.1.1. 时差法 4

2.1.2. 多普勒法 5

2.1.3. 涡街法 5

2.1.4. 相关法 5

2.2. 系统的总体设计要求 5

2.3. 系统的总体设计分析 6

2.4. 本章小结 6

3. 系统的硬件设计 6

3.1. MSP430F149单片机的最小系统 6

3.1.1. ASM1117稳压芯片 7

3.1.2. 复位电路 8

3.2. LCD12864显示模块 8

3.3. 超声波模块 10

3.3.1. 超声波换能器 10

3.3.2. 超声波驱动模块 11

3.4. 本章小结 11

4. 系统软件的设计 13

4.1. 主程序的设计 13

4.2. 液晶显示屏模块设计 14

4.3. A/D转换模块 15

4.4. 本章小结 16

5. 系统的调试和分析 17

5.1. 各模块的调试 17

5.2. 超声波测风模块的调试 17

5.3. LCD模块的调试 17

5.4. A/D模块的调试 17

5.5. 本章小结 17

6. 对超声波风速测量系统的展望 18

7. 总结 18

参考文献 20

致谢 21

便携式超声波风速仪的设计

沈健

, Nanjing, China

Abstract:Different from ordinary mechanical wind speed measuring instrument, a one-dimensional based on MSP430 is presented the design method of the portable ultrasonic anemometer,The design is based on MSP430 microcontroller as the core,Introduces the characteristics of 430 single chip microcomputer, and introduced the one-dimensional ultrasonic measurement wind speed formula based on the principle of time difference method, describes the ultrasonic transceiver circuit, the ultrasonic driving module are introduced, finally, realized using ultrasonic module for measuring wind speed and a conclusion in the final draw. The design has simple structure, high precision, low power consumption,and expansion is convenient wait for a characteristic.

Key word:MSP430,Wind speed measurement,Ultrasonic,tdoa

绪论

常见风速仪的介绍与优缺点比较

风，作为我们生活中常见的一种自然现象，早在战国时期，古人庄子就对其就行了研究和描述，将其称作“天地的呼吸”，现如今，人们对风的理解更是尤为透彻，人们对风的研究包括了风的方向、速度以及风的能量。而为了能够很好的对风速做出研究，人们制造了最基本的测风系统——风速仪，而为了能够更深入的研究，增加了风速仪的种类。而今市场上出售最多的风速测量系统有下面这几种：

旋转式风速表

主要有转杯式的风速仪和风标式的测风系统等，这是一种比较传统的风速测量方式，其核心原理是利用风杯来将风的动能能转化为风杯的机械能，通过测量一定的时间内的风杯的转速来进行风速的测量，并通过电脑终端显示出来。这种风速仪的优点是结构简单，价格低廉，而缺点则是存在零件磨损损耗的情况，收到天气气候的影响严重，需要有人定期维护，且易受前段时间风速的影响，误差较大。

压力式风速仪

由于压力和风速的平方存在着正比关系，所以根据这一压力效应，设计出了压力式风速仪。该风速仪的原理是通过对风在空气中流动过程中受到的阻力来对风速进行测量。这种风速仪的优点是精度相较于旋转是的高，误差相对容易控制，缺点是受温度影响较大。

热力式风速仪

热式风速装置是通过利用被加热的对象在空气中的散热的快慢与空气中气流的流速快慢的相关性来测量风速。这种风速仪的优点是结构相对简单，民用价值高，缺点是测速范围窄，并且响应的时间相对较长。

声学风速仪

声学风速仪是指那些通过利用声波在大气中传播时会受到风速的影响，并且二者之间存在函数关系这一特点来进行风速的测量。主要的设计有超声波风速测量装置，这种测量装置的优点是操作易上手，传感器的灵敏度高，以及没有启动风速条件，测量风速快，没有机械磨损，缺点是精确度不是很高，受到一定的温度影响，同时，市面上的超声波风速仪普遍存在价格昂贵的缺点。

研究课题的目的和意义

当今社会，伴随着科学技术的发展与进步，由于风能的清洁与可再生的特性，符合可持续发展，风能已然成为了一种新型的能源，这也使得人们不得不充分的对其展开全面的研究，对于风速的研究也就在这种发展中越来越深入，作为衍生物，风速仪成为了人们研究风速必不可少的方式。

区别于传统的机械式的风速测量装置，新型的超声波风速测量系统就体现出明显的优越点：首先，由于超声波测量风速使用的是超声波传感器模块，所以在超声波风速仪上，不会存在精密的机械器件，这样也就不会不会造成因机械器件的磨损或者老化等问题产生的一起误差，其次，超声波测风系统相比于传统风速仪，精确度相对的也会更高，由于没有转杯这样的机械组件，所以测量范围都是从0m/s的风速开始的，除此之外，超声波测风测量的速度也非常快，并且不需要经常性的对零件进行维护等。基于以上优点，同时为了实现便携化和简单化，本设计研究的是在一维上基于MSP430的超声波的风速测量。

研究意义：在个人意义上，本设计包含了单片机的应用，模拟信号的处理，A/D模数转换，软件程序的设计等知识点，能够充分的检验自己对所学知识的掌握程度和应用情况，具有很高的实践价值。

从大的方面讲，超声波测量风速系统目前在气象研究，工业，体育，航海，民用，农业以及军事方面都有着广泛的应用，所以测量风速仪器一直在各行各业都起着一定的作用，对其测量的精度要求也越来越高。并且随着科技的不断发展，生活上越来越数字化，可以展望的是对风速的研究测量将越来越多的应用到大家的生活中。

海内外对超声波研究使用研究的发展

超声波，作为一种频率超过20khz的声波，被广泛的应用于许许多多的行业，例如军事方面的超声波雷达探测，医疗方面的超声波清洗装置，气象方面的超声波风速风向测量等，超声波风速测量的技术属于超声波检测技术在气体介质中的一种应用。并且超声波测风速还具有功耗低，便于操作，精确度高、器件不易磨损、携带方便等优点。

超声波是利用物体机械振动生成的，在大约19世纪末期的时候开始，伴随着压电效应的发现，解决了通过电子学技术产生超声波的方法后，超声波开始成为科学家们的新宠，与此同时，和超声波相关的技术也广泛的被应用到许许多多的领域的实例研究中。

在国际上，随着各国科研学者们对超声波越来越感兴趣，超声波技术应用方面的科研成果也越来越多，最早的超声波技术应用在医学治疗方面，在1922，首例超声波治疗的专利在德国出现，随后，在1939年，超声波治疗技术在临床方面取得突破性的成果，40年代末期，超声波治疗技术兴起，1949年，第一次国际超声波医学会议召开，随着学者们的交流，为超声波治疗以及超声波应用的飞速发展奠定了基础。而后的1956年的第二次国际会议则使得超声波资料技术变得成熟和完善。

在国内，对超声波的研究相对的起步较晚，同样也是在医学治疗方面，超声波治疗从20世纪50年代才出现在我国。1950年开始，使用超声波治疗机来治疗多种疾病在北京出现首例，随后随着这种治疗方式的推广，出现了国产的治疗机器。而到了70年代的时候，各类国产超声波治疗仪器开始在全国各个大型的医院中开始普及。从此，对超声波治疗的研究以及对其他超声波应用的各种探究开始飞快地发展起来。

到了现今，超声波技术更是被广为应用，有利用超声波来进行超声波焊接、钻孔的，有利用超声波来进行器件清洗以及空气加湿的，还有利用超声波除螨、除油以及超声波检测的等等，这些技以及技术的衍生充分的在各行各业发光发热。

论文的主要研究内容

本次设计主要是运用单片机的知识设计了一种基于MSP430单片机的便携式的超声波风速测量装置。由于该设计只需要对风速进行测量，默认了风向是已知的，所以在这种情况下，在设计中，只需用一对相对放置的超声波探头来收发信号，进行风速的测量，并通过超声波驱动电路驱动，计时器计时，A/D模块的转换，最后将测量结果通过单片机传输到LCD显示屏上输出。

主要研究内容包括：

1. 通过比较选取合适的测量方法。
2. 对传感器进行分析，通过研究原理与使用方法判断该传感器的可操作性。
3. 分析系统硬件部分需要的器件，选择合适的单片机芯片，得出系统整体硬件部分的设计方案。
4. 分别设计超声波驱动模块，放大滤波整流电路以及电源电压转换电路等。
5. 对设计的电路进行仿真，查找问题，并且解决问题。
6. 编写软件程序并且根据设计的电路制作实物。

本章小结

本章节主要是对风速仪的介绍以及一些分析，说明了研究课题的目的和意义，同时介绍了超声波的发展史以及我国超声波测风技术的发展状况，说明了超声波的特性以及用超声波测风的可行性，最后则叙述了研究的主要内容，超声波技术作为一种新近兴起的技术，如今被广泛的运用在各行各业，随着社会的不停发展，在不停的被人们运用的同时，散发着无穷的魅力。

超声波风速仪的总体设计

超声波测风方式的选择

现今，超声波作为一种频率超过20khz的声波，被广泛的应用于许许多多的行业，例如军事方面的超声波雷达探测，医疗方面的超声波清洗装置，气象方面的超声波风速风向测量等，超声波风速测量的技术属于超声波检测技术在气体介质中的一种应用，用超声波进行风速的测量充分的利用了超声波方向性好、声能集中的特性。并且超声波测风速还具有功耗低，便于操作，精确度高、器件不易磨损、携带方便等优点。

现阶段，使用超声波测量风速的方法有时差法、多普勒法、涡街法和相关法等测量方法。

时差法

利用超声波在顺风路径和逆风路径上的传播速度的不同，检测出两个路径的传播时间或者时间差来获得风速信息，利用这个原理，可以根据下面的方法来求出风速信息：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：14910字

相关图片展示：