论文总字数：13745字

本科毕业论文（设计）

作者声明

本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。

毕业论文（设计）成果归学校所有。

特此声明

摘 要

风能是一种清洁能源，并且源源不断，如果可以好好的利用风能，对于环境无污染效益良好。国家对可再生能源的利用，特别是风能的利用给予了足够的重视。超声波风速仪是一种基于超声波原理制作而成的风速风向测量仪器，利用发送的声波脉冲，测量接收端的时间或频率差别来计算风速和风向。超声波风速风向仪是目前测量风速最优选的仪器，具有传统测风仪不可比拟的优势。在人们对风能越加重视的今天，测风仪的研究更为显得重要。

本课题设计的是一款超声波风速风向仪，在设计中为了达到设计要求，得到最终的风速风向，采用ATmega128单片机对FPGA所计数个数进行计算。并且采用了低压驱动的方式来达到稳定的驱动效果。由于超声波在传播中被空气中的噪声影响，并且在传播中会有一定的衰减，所以设计了抗干扰限幅电路和AGC自动增益控制放大电路。

关键词：超声波风速风向仪；时差法；FPGA；自动增益；CAN总线

Abstract

Wind energy is a kind of clean energy, and a steady stream, if you can make good use of wind energy, no pollution for the environment, good benefits. The state has paid enough attention to the utilization of renewable energy, especially the utilization of wind energy. Ultrasonic anemometer is a kind of wind speed and direction measuring instrument based on the principle of ultrasonic. It uses the transmitted acoustic pulse to measure the time or frequency difference at the receiving end to calculate the wind speed and direction. Ultrasonic anemometer is the most preferred instrument for measuring wind speed, which has incomparable advantages over traditional anemometer. Nowadays, people pay more and more attention to wind energy, and the research of wind meter is more important.

In order to meet the design requirements and get the final wind speed and direction, ATmega128 MCU is used to calculate the number of FPGA. And the low-voltage driving mode is adopted to achieve stable driving effect. Because the ultrasonic wave is affected by the noise in the air, and there will be a certain attenuation in the propagation, so the anti-interference limiting circuit and AGC automatic gain control amplifier circuit are designed.

Key words: wind speed measuring devices, time difference method, FPGA, automatic Gain, CAN bus

目 录

1 绪论 1

1.1 设计背景与意义 1

1.2 研究历史及现状 1

1.3 设计研究内容 1

2 系统总体设计 2

2.1超声波测量原理 2

2.2 系统总体设计 3

2.3 本章小结 4

3 硬件电路设计 4

3.1超声波传感器发射和接收电路 4

3.2超声波传感器接收信号处理电路 5

3.2.1 接收抗干扰限幅电路 5

3.2.2 前置放大电路 5

3.2.3 AGC 自动增益控制放大电路 6

3.3 电源电路设计 6

3.4 本章小结 7

4 基于FPGA的数字系统设计 1

4.1 FPGA 概述 1

4.1.1 FPGA 简介 1

4.1.2基于Quartus II软件设计流程 1

4.2 FPGA基本电路设计 3

4.2.1 FPGA 基本外围电路设计 3

4.2.2下载配置与调试接口电路设计 3

4.3 本章小结 4

5 系统软件设计 4

5.1系统软件 4

5.2风速计算软件 5

5.3本章小结 6

6 整体调试 7

6.1 硬件调试 7

6.2 软件调试 7

6.3 误差分析 7

6.4 本章小结 8

7 总结与展望 9

8 致谢 10

1 绪论

1.1 设计背景与意义

风速测量在工业、农业中的应用都越来越重要，尤其是气象领域，对风速测量有极高的要求，所以对风速进行精确的测量显得有着特别重要的价值。随着气象站在各个领域的广泛应用，超声波测风装置的使用也必将开始大范围。

在工业愈加发达的今天这个社会，人们对环境问题的讨论也变得愈加频繁，如今的环境问题已经严重的影响到人们的日常生活，就能源的可再生问题上，以往的石油，煤矿等一次性能源已经完全支撑不起人类的发展。而寻找可再生、清洁的能源已经迫在眉睫。而风能、太阳能、地热能 、潮汐能、核能，将成为下一代支撑人类发展的新能源。本课题将进行对风的测量，为进一步将风转化为可用能源做好基础。而且风在日常生活中的应用也变得越来越普及，对人类的生产、农事、军事，甚至日常生活都息息相关。

风速测量常用的有利用风的压力效应来测量的压力式风速仪、利用被加热物体散热速率与周围空气有关的的特性来测量的热力式风速表、利用声波在大气中传播速度与风速之间的函数关系来测量的声学风速仪，与其他测风仪器相比，超声波风速仪则是最优选的测风仪，主要表现在安装比较简单，维护方便；测量精度高，不需要人为的参与，而且可以智能化。

1.2 研究历史及现状

对于超声波风速仪的研究，在1928年，一位名叫吕·特根的德国人提出了利用超声波传播时差来计算出流体流速的理论，但限于当时的工程技术水平，该方法还停留在理论阶段。直到二十世纪八十年代，第一台超声波测风速的实验样机才现世，为超声波测风速的工程可行性提供了保证。利用超声波测量风速风向的技术，国内外的专家、科研工作者都积极开展研究。但由于历史原因，国外的发展早于国内。目前国外的技术比较发达，各式各样的超声波风速仪充斥着市场。同样，国内对于超声波测风速仪的发展研究虽然起步晚，但是进步依然可观，在某些方面甚至已经超过国外的现有水平，这和国内科研工作者的努力奋斗是分不开的。总体来说，国内的整体水平还是稍落后于国外，所以还需要国内相关研究人员的共同努力，对超声波测风速技术展开更深入的科学研究。

近些年，随着国内外风洞研究和建造技术的发展和完善，对风速风向仪的技术要求越来越高。这就要求风速风向仪能够满足各种极端环境，以及在多变风速条件下的测量灵敏度、精确度和测量范围，同时还得适应不同环境的 不同要求。使风速测量过程变得简单、及时和高效成为了主要亟待解决的问题。在超声波风速测量仪器方面，国内外有许多的公司都在做成熟的产品，市面上的超声波风速风向仪大多价格在几千到几万之间，既有国产也有国外的。国内有常州德杜精密仪器公司、北京精测电子科技等，国外有芬兰Vaisala公司、英国GILL公司等。

1.3 设计研究内容

本文的设计是基于FPGA和ATmegal28的，利用时差法原理的测风速风向系统。各章主要工作如下:

第一章介绍了本次课题中的超声波测速仪的发展过程，并且在风能越来越受到重视的情况下，测风仪的重要性也越来越显现出来。

第二章介绍了系统总体设计，以及本文用到的超声波测量风速的相关原理和使用的芯片。

第三章是整个实验设计中最重要的一部分，首先介绍了超声波发射和接收电路和超声波传感器接收信号和处理电路，为了解决接收电信号中有噪声的问题，实验中设计了接收抗干扰限幅电路。超声波在空气中会有衰减，导致实验数据会有偏差，所以需要一个放大电路来放大输出的电信号。最后介绍了AGC自动增益控制放大电路。

第四章主要对核心部件FPGA进行了介绍，运用硬件描述语言Verilog HDL进行逻辑设计，这些逻辑设计是保证该实验有序的进行的基础，也是这个实验非常重要的一部分。最后还介绍了基本FPGA外围电路。

第五章是介绍了系统的软件组成。

第六章是进行实验的检测，在得到实验数据之后在进行对实验进行调整，减小实验产生的误差。

第七章主要是对本文进行总结。

2 系统总体设计

超声波风速风向仪通过时差法原理进行测量。首先产生超声驱动电压驱动超声波换能器发射超声波信号，超声波信号在待测风场中传播，接收换能器接收到超声信号后对回波信号进行处理得到一个渡越时长。将驱动电压切换至之前的接收换能器，使其变为发射换能器，发射超声波，之前的发射换能器变成了新的接收换能器，负责接收回波信号，同样处理得到另一个渡越时长。此时即可得到同一通道上的顺逆风渡越时长，对顺逆风传播时长做差就可得到时差，进而计算该通道风速。依次切换得到4通道风速后进行矢量合成，即可得到待测总风速。

2.1超声波测量原理

在平常的生活中，声音在空气中传播的速度会与空气流速、密度、湿度等因素有关，但在一般情况下，除了空气的流速会改变外，其他的因素在较短的时间里的变化基本可以忽略不计。所以，在实验过程中，只要我们测量出在某一个方向上声音来回传播的时间，那么就可以根据相关公式计算出相应的风速。

本实验对风速风向的测量采用的是时差法。由于超声波在顺风和逆风传播时会存在一个时间差，这个时间差与待测风速具有如下关系，如式（1）所示

(1)

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