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摘要本设计的任务是开发设计一个测量室内风速、风向的仪器，要求测量风速在1m/s 在测量过程中，被测风速在 1m/s 以内。本文对风速/风向的测量基于超声波的渡越时间差。超 声波在空气中的传播速度与气流速度产生叠加现象。在固定的测量路径内，与超声波传播方向同向的风速分量增大了超声波传播速度，从而使渡越时间减小；与超声波传播方向反向的风速分量，相反的，使超声波传播速度减小，从而使渡越时间增大。双向测量渡越时间，就可以通过这两个渡越时间计算出测量路径内的风速。并且同时可以测出该风向。本文在对超声风速测量原理分析和反复试验的基础上设计了室内微风传感器的硬件电路，对所应用的超声传感器、电路各组成部分和主要器件功能做了详细介绍，并编写了相应单片机控制软件。最后总结了微风传感器的特点，对前景进行了分析和展望。该测风系统利用时差法超声波测风原理设计了风速风向测量系统实现了对瞬时风速风向的精确测量克服了传统测风仪测量精度不高和使用环境受限制等缺点。这句话从哪来的？ 在哪能体现？ 实验结果还是？关键词：微风测量、风速仪、超声传感器、单片机、串行通讯AbstractThe 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 speed should be lower than 1m/s during the measurement requirements.In this paper, the wind speed and direction measurement based on ultrasonic transit time difference. Ultrasonic propagation in air 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 transit time is reduced; wind component,reverse and ultrasonic wave propagation direction on the contrary, theultrasonic propagation velocity decreases, so that the transit time is increased.Bidirectional measurement of transit time, can be calculated by the two transit time measurement of wind velocity within the path. On the basis of analysis of the principle of 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 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. 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 the use of space limitation.Key words: Cold storage Anemometer Refrigerating system Ammonia Compressor 这个关键词怎么不翻译？Indoor airflow measurement wind velocity indicato ultrasonic sensor MCU serial communication目录摘要 .1Abstract .11 绪论 .11.1 引言 .11.2 文献综述 .11.2.1 基于单片机的 CNC 系统 .21.2.2 基于可编程控制器（PLC）的 CNC 系统 .31.2.3 基于液压控制系统的自动 U 型弯管机 CNC 系统 .31.2.4 基于工业 PC 的 CNC 系统 .31.3 设计思路 .41.4 内容安排 .52 基于单片机的弯管机控制原理 .62.1 超声风速测量原理 .62.2 超声换能器工作原理 .72.3 40LPT16 超声换能器 .92.4 空间结构设计 .103 单片机控制系统硬件电路设计 .123.1 硬件设计总体结构 .123.2 AT89S51 单片机与部分外围电路 .133.3 超声风速测量电路 .153.3.1 光耦继电器和反相器 .153.3.2 开关驱动接收电路 .163.3.3 滤波电路 .183.3.4 比例放大电路 .203.3.5 回波检测电路 .213.3.6 TL431 电压偏置电路 .223.4 小结 .224 单片机控制系统软件设计 .244.1 串行通讯 .244.2 风速测量软件设计流程 .244.3 实验结果 .284.4 小结 .29结 论 .30装订线致 谢 .31参考文献 .32附录（一）：应用程序 .34附录（二）：外文文献翻译及原文 .40安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书_第 2 页，共 46 页1 绪论1.1 引言随着国内工业现代化程度的日益提高，过去老式的机械液压式夸管机已不能满足越来越高的精度要求和大规模生产的韶要，因为其精度差，工人劳动强度大，效率低下。因而到了八十年代中期出现了由 Z- 80 单板机作控制器的数控育管机，但由于它体积大、拢扰能力差等缺点，也不能很好地满足工作的书要。单片机以其优良的性能，很强的扰干扰能力，在对传弘技术改造中，扮演了越来越盆要的角色。以单片机为核心的新里效控夸管机是一种高效率、高精度的数控夸管机，它休积小巧，操作灵活，能够夸曲管径从。24mm-r60mm 的各种管子.育曲最大角度为 196 度，专曲精度达到士 1 度，非常适合弯曲大批 f、不同角度值的管子。1.2 文献综述钢管弯管机是用来制作特殊钢管结构构件的液压机械设备，用单片机构件钢管及的自动控制系统，用于管线转弯处。弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关，早在 20 世纪 70 年代时，美国 EATONLEONARD 公司就已经研制生产了计算机数控弯管设备，首创计算机编程数控弯管之先河，大大提高了当时的数控弯管水平。 20 世纪 80 年代，日本千代田工业株式会社在美国 EATONLEONARD 公司的研究成果上，成功研制了 M-1 型管型测量机和 EC、TC 两种系列十多种型号的数控弯管机，功能非常强大，很快便以崭新的技术面貌挤入了国际市场。我国的数控弯管机研究起步较晚，但发展很快，早在 1970 年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机，这是国内自主研制的第一台数控弯管机。1973 年武昌造船厂又成功研制了 SKWG-2 型数控弯管机。此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机，也有半自动的数控弯管机，甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管，具有典型的“老、中、青”(即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床)三者结合的中国特色。该类弯管机的控制系统主要有：基于单片机的 CNC 系统、基于 PLC 的弯管机控制系统、PROFIBUS 现场总线的中频液压弯管机控制系统、基于 PLC 与步进电机的全自动数控弯管机控制系统、新型缠绕式液压弯管机控制系统、基于上下位机的中频安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书_第 3 页，共 46 页装订线弯管机控制系统、基于 PLC 与伺服电动机的全自动弯管机控制系统、基于液压控制系统的自动 U 型弯管机控制系统、大口径中频加热弯管机控制系统。 1.2.1 基于单片机的 CNC 系统重要的单片机型号有 MSC-51 系列单片机、MC9S12XS12N 系列单片机。采用单片机开发的数控弯管机成本低，其操作简单、实时性好、现场的适应能力强。并且机床操作方便、人机界面友好，因此，一般都用来开发简易的经济性数控机床。MCS-51 系列单片机MCS-51 系列单片机是 INTEL 公司在 MCS-48 系列的基础上，在 80 年代初又推出的高性能的 8 位单片机。它与 48 系列相比，在片内存储器容量、I/0 口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到加强。就 MCS-51 系列单片机特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的 8 位单片机。MCS-51 系列单片机的三个基本产品为 8031、8751、8051。它们的指令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异1.2.2 基于可编程控制器（PLC）的 CNC 系统1.PLC 在弯管机控制系统中的优点（1）用 PLC 控制弯管机时，工作可靠性高；（2）该类弯管机控制系统具有操作系统简单。方便、工人劳动强度低、危险系数小、人力成本低等优点；（3）其控制速度快；（4）可以在条件艰苦的工作环境中工作；（5）安装容易，施工方便；（6）可靠性高，使用寿命长，可扩展性强；（7）有自诊断能力，维护工作量小。2.基于上下位机的中频加热液压弯管机控制系统控制系统组成:中频液压弯管机组电气自动化控制系统主要是由数字式步进液压伺服控制系统、中频感应加热电源控制系统、工业控制计算机与 PLC 组成的工业现场网络控制系统组成。具体控制方案设计是采用工业控制计算机作为上位机，完成对整个机组工作过程的动态监控、状态管理、数据记录、系统管理、参数处理等功能。PLC 作为下位机用于完成对整个弯管生产过程中弯管角度、主机速度、升降缸位移、加热温度、功率、电压、冷却喷淋、液压系统等的顺序控制。安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书_第 4 页，共 46 页装订线基于上下位机的中频加热液压弯管机系统图1.2.3 基于液压控制系统的自动 U 型弯管机 CNC 系统数控弯管机弯管效率高，管件质量稳定，可迅速提高机加车间的生产效率。特别适合大批量多种类管件生产。目前国内的锅炉制造厂家大部分仍采用手动弯管。该类的 PLC 控制系统可自动完成送管、置位、弯管、复位、翻身等操作；控制系统以 PLC 为核心，稳定可靠；步进电动机保证了送管的精度；触摸屏提供了更直观的人机界面安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书_第 5 页，共 46 页装订线基于 PLC 与步进电动机控制系统组成1.2.4 基于工业 PC 的 CNC 系统随着 PC 机功能的逐渐强大和完善。工业界己将 PC 机应用于自动化领域，为了经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶劣工作环境的考验，生产商通过增加密封保护、过滤器、板压条和额外风扇等措施，形成了工业 PC.在弯管机数控系统中，采用 PC 或工业 PC 主板作为 CNC 平台，通过在主板(或母板)上的PCI/ISA 槽插入实现 NC 功能的各种模块，如运动控制卡、DA 板、工/0 板等等，构成具有高度灵活性的弯管机数控系统。充分利用 Windows 操作系统的资源和用高级语言编程，能够使数控软件系统的功能更强大。目前，常用的管材弯曲成形方法有绕弯、推弯、滚弯和压弯等，其中绕弯容易实现自动化，因此目前弯管机多以弯管为主。但是，由于绕弯需要将钢管缠绕在模轮上加工成形，而模轮的半径受到限制的，因此在加大曲率的弯件时绕弯显得无能为力，而需要使用滚弯的方式。为了增加弯管机的柔性，必须将绕弯和滚弯集成到弯管机上，以实现从小曲率和大曲率管件的加工。随着数控技术和计算机技术的发展，管件成形也从手工、半自动化方式发展到数控全自动加工方式，并且，基于 PC的开放式的数控系统也逐步替代了传统的专用的 PLC 数控系统。从实现结构上来看，基于 PC 的开放式数控系统大致分为 4 种结构形式：PC 连接 NC 型，PC 嵌入 NC 型，NC 嵌入 PC 型和全软件型。安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书_第 6 页，共 46 页装订线1.3 设计思路本设计采用四个压电超声换能器组成传感器阵列测量风速，压电超声换能器体积小，工作电压较静电超声换能器小，工作频率范围可从 20KHz 至 20GHz，频带较静电超声换能器窄，但是用于固定近距离的风速测量完全可以满足要求。将四个超声换能器两两相对设置，轮流工作，测量两个不同方向的固定路径内的风速，用于风速风向信息的合成。由于设计要求室内微风传感器有尽量小的体积，因此超声换能器距离要小，同时超声速度也是很大的，在近距离测量渡越时间难度也是很大的，因此超声换能器距离又不能太小，设计时要综合各方面的因素。要测量近距离路径内的渡越时间，对开关控制电路反应的快速性要求很高，开关速率一定要足够快（开启时间足够短），且较易控制，因此采用高速的光电继电器是很好的选择，同时还可以通过开关控制电路将驱动电路与回波检测电路隔离开，避免驱动信号余振对回波检测电路造成干扰。回波信号比较微弱，还有一定的噪声，因此要设置滤波电路和放大电路。最后将回波信号转换为高低电平的模拟数字信号引入单片机中断端口，用来计算渡越时间，可以通过比较器和设置合适的阈值电压实现。在硬件电路设计的基础上，采用串行通信方法将单片机与 PC 机相连，将渡越时间相关的输出数据发送到 PC 机内。由于控制信号和脉冲信号及渡越时间的测量均要求计时精确，因此单片机控制程序采用 C 语言和汇编语言混编方式。1.4 内容安排第一章 绪论，简单介绍了基于单片机的弯管机控制系统的研究意义和背景，总结了目前几种控制系统，整理了研究思路；第二章 基于单片机控制系统的弯管机的工作原理，介绍了控制器的工作原理，本设计所采用的压电超声换能器的性能和结构设计，及风速测量的原理和方法；第三章 室内微风传感器硬件电路设计，详细介绍基于超声换能器的室内微风传感器的电路设计结构逻辑、工作过程和主要器件的性能；第四章 室内微风传感器软件设计，主要分析了控制过程的流程，通过实验验证其逻辑的正确性；第五章 总结与展望，分析了本设计的不足之处，对以后的改进工作提出意见。安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书_第 7 页，共 46 页装订线2 超声风速测量原理2.1 超声风速测量原理超声波（频率高于 20KHz）是一种振动频率高于声波的机械波，可由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，它具有频率高、波长短、绕射现象小、能定向传播等特点。超声测风是超声波检测技术在气体介质中的一种应用它是利用超声波在空气中传播速度受空气流动(风) 的影响来测量风速的。与常规的风杯或旋翼式风速仪相比这种测量方法的最大特点在于整个测风系统没有任何机械转动部件，属于无惯性测量，故能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分，结合现代计算机技术，可在更高层次上揭示自然风的特性对于提高抗风减灾能力和风资源的合理利用有重大意义。2.2 超声换能器工作原理超声换能器是利用超声波的特性研制而成的传感器，也叫超声传感器或超声探头，它能把高频电能转化为机械能的装置。一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出装置就可以产