论文总字数：21808字

摘 要

风与人类的现代生产生活有着密切的联系，及时准确地获取风的风速风向信息对于许多行业具有重要的指导意义。许多新技术，如风力发电、无人自动气象站、高铁运行监测等都离不开及时准确的风力信息，风速仪的作用日益凸显。传统机械式风速仪虽然应用广泛，但是存在摩擦、腐蚀、启动风速等问题，有很大的局限性。新式风速仪中超声波风速仪尤为突出，其结构简单、精度较高、无需温度补偿且没有磨损问题，不存在启动风速。本文基于时差法构建了一个超声波风速仪系统，通过模块化设计将超声波收发电路和探头集成在一块电路上，并利用模块内单片机进行超声激励信号的生成和接收信号的处理任务。一共四个模块垂直放置外接一个总体控制单片机构成了二维风速测量系统。总控单片机负责选取发射和接收通道，并将结果进行滤波处理和输出。经过电路设计、仿真、布线、焊接、软件设计、联合调试，并且设计了固定装置和计算机端显示对话框，证明本系统能粗略地测量风速和风向。最后分析了结果和误差的来源并提出了一些改进的建议。

关键词：超声波测速，单片机，风速仪，风向。

Abstract

The wind is closely related to the modern production and life of human beings. Accurately obtaining wind speed and wind direction information has important guiding significance for many industries. Many new technologies, such as wind power generation, unmanned automatic weather stations, monitoring the operation status of high-speed rail，etc., are inseparable from timely and accurate wind information. The role of anemoscopes has become increasingly prominent. Although the traditional mechanical anemometer is widely used, it has problems such as friction, corrosion, and starting wind speed, which has great limitations. Ultrasonic anemometers in new anemometers are particularly prominent. They have a simple structure, high accuracy, no temperature compensation, no wear problems, and no starting wind speed. This paper constructs an ultrasonic anemometer system based on the time difference method. Through the modular design, the ultrasonic transceiver circuit and the probe are integrated on a single circuit, and the single-chip microcomputer in the module is used to generate the ultrasonic excitation signal and process the received signal. A total of four modules are placed vertically and connected to an overall control microcontroller constitutes a two-dimensional wind speed measurement system. The master microcontroller is responsible for selecting the transmitting and receiving channels and filtering and outputting the results. After circuit design, simulation, wiring, welding, software design, and joint debugging, a fixed device and a computer-side display dialog box were designed to prove that the system can roughly measure wind speed and wind direction. Finally, the source of the results and errors was analyzed and some suggestions for improvement were put forward.

KEY WORDS: ultrasonic speed, single-chip microcomputer, anemometer, wind direction

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究工作 2

第二章 超声波风速风向仪相关原理综述 3

2.1 超声波风速测量基本原理 3

2.1.1 一维风速测量 3

2.1.2 二维风速和风向测量 3

2.2 系统结构 4

2.3 超声波探头工作原理 5

2.4 超声波的发射 6

2.5 超声波的接收调理 6

2.5.1 反相放大器 6

2.5.2 有源带通滤波器 7

2.5.3 电压比较器 8

2.6 单片机最小系统 8

2.7 软件滤波方法 9

2.7.1 中位值平均滤波法 9

2.7.2 递推平均滤波法 9

2.7.3 实际距离补偿 9

第三章 超声波风速风向仪的设计 10

3.1 超声波发射电路设计 10

3.2 超声波接收调理电路设计 11

3.2.1 反相放大器设计 12

3.2.2 有源带通滤波器设计 12

3.2.3 电压比较器设计 13

3.3 模块内单片机程序设计 14

3.4 系统总体控制单片机程序设计 15

3.5 固定装置设计 16

3.6 MFC对话框显示设计 16

第四章 测量结果与分析 18

4.1 成品展示 18

4.1.1 超声波模块原理图 18

4.1.2 超声波模块PCB图 18

4.1.3 系统实物图 19

4.2 无风状态测距实验 19

4.3 一维风速测量实验 20

4.4 二维风速测量实验 21

4.5 系统性能评估与改进 21

4.5.1 系统性能评估 21

4.5.2 误差分析与改进建议 22

致谢 23

参考文献 24

绪论

研究背景和意义

风与人类的现代生产生活有着密切的联系，及时准确地获取风的风速风向信息对于农业耕作、气象监测预报、风力发电、航海航空、隧道桥梁等行业具有重要的指导意义[^[1]]。比如说，因为能源短缺，近年来国家对新能源进行了大力扶持，国内风力发电产业发展迅速，但风力发电相对于其他新能源来说最主要的缺点是成本偏高，而导致这一问题的关键就是风机的稳定性。要想获得较高的风能利用率，就必须及时准确地获得风速风向信息以调整风机变桨。另一个例子就是我国发展迅速的高铁，高速运行的列车在一些强风点，如隧道口，转弯处等，会存在不小的安全隐患。为保障列车安全效率运行，需要实时监测高铁沿线近地大风风场强度，以调整列车的运行状态并提前预警。随着新技术地不断发展，风的作用日益增强，风速仪的作用日益凸显。

传统的风速仪通常都是机械式的，其中风杯式风速仪是使用最广泛的。传统的风速仪具有很多优点，比如使用广泛、成本低，使用和测量数据完善，但是其也有很多不可避免的缺点。机械式风速仪是靠机械转动来测量风速，大部分只能测量风速而不能测量风向，而且其存在转动部件，容易产生磨损从而导致误差；同时，在我国西部地区或沿海地区等风力资源较为丰富的地方，恶劣的环境也会对其进行腐蚀。另外，由于摩擦的存在，机械式风速仪会有一个启动风速，风速低于启动风速的微风将无法测量[^[2]]。

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