论文总字数：44975字

摘 要

如今，科学技术正在高速发展，风对人而言已经不仅仅是单纯的自然现象。风能作为不产生污染的可再生能源，自然储备量非常巨大。精准地的监测风矢量信息，可以作为监测多种自然天气气候灾害的数据，并及时有效地采取保护措施。

本篇论文提出基于单片机的风速风向测量系统的设计方案，在对比了四种常用的风速风向测量方法的基础上，选择了其结构简单，制作成本低，使用安装方便的风杯和风向标作为风速和风向测量的载体。

测量系统的主控芯片选择STM32103ZET6芯片。论文设计了测量系统的软硬件部分，硬件部分包括：测量电路，单片机系统电路、串口通信电路、FLASH存储器电路。软件部分包括：信号的处理与分析，信号输出，信号校正，串口输入数据存储等功能。通过硬件电路获取数据，通过光电编码器和电子罗盘测得的风速风向数据进入主芯片。计算和校准风速风向数据，并通过LCD屏幕显示风杯旋转速度和风向标指向。完成了对于风速风向信息测量的设计任务。

关键词：风杯 风向标 光电编码器 电子罗盘 单片机

Research on Wind Speed and Direction Measurement System Based on Embedded Microcomputer Control

Abstract

With the rapid development of science and technology, wind has become more than just a natural phenomenon . As a non-polluting renewable energy source, wind energy has a huge natural reserve. Accurate monitoring of wind vector information can be used to monitor a variety of natural weather and climate disasters, and take effective protection measures in time.

This paper proposes the design scheme of wind speed and direction measurement system based on embedded microcomputer control. On the basis of comparing four common wind speed and direction measurement methods, I chooses the wind cup and vane , low production cost and convenient installation .

STM32103ZET6 was selected as the main control chip of the measurement system. The paper designs the hardware and software .The hardware part includes: the measurement circuit, the single-chip microcomputer system circuit, the serial port communication circuit, the FLASH memory circuit. Software includes: signal processing and analysis, signal output, signal correction, serial port input data storage and other functions. Through the photoelectric encoder and electronic compass measured wind speed and direction data into the main chip. Calculate and calibrate the wind speed and direction data then display the wind cup rotation speed and vane direction on the LCD screen. It works.

Key Words：Wind Cup; Wind Vane; Optical sensor ;Electronic compass;STM32

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本课题拟解决的问题和章节安排 3

第二章 风速风向测量原理 4

2.1风速风向测量方法简述 4

2.2 风速风向测量方法选择及工作原理 6

2.3 单片机选择 9

2.4 本章小结 10

第三章 风速风向测量系统硬件设计 11

3.1 风速风向测量系统的总体方案设计 11

3.2 风速风向测量系统硬件设计 11

3.2.1 光电码盘电路 11

3.2.2 电子罗盘电路 12

3.3 单片机硬件部分设计 13

3.4 本章小结 15

第四章 程序设计和调试 16

4.1 系统软件流程及程序设计 16

4.2 风速风向信号处理 18

4.2.1 风速信号处理与计算 18

4.2.2 风向信号处理与计算 18

4.3 实验结果与分析 20

4.3.1 地磁计校准 20

4.3.2 实验结果显示 21

4.4 本章小结 24

第五章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 28

附录：程序代码 29

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

风矢量信息指的是风速和风向的复合信息，如今科技飞速发展进步，风作为一种自然现象，有了更加深刻的存在的价值，有效的监测风矢量信息，不仅可以为人们提供日常出行参考，也可以为监测各种天气气候灾害提供依据^[1,2]。由于地表收到的太阳照射不均匀产生温度差，进而产生了区域性的气压差，在气压的作用下，为了维持气压平衡趋势，风沿着气压梯度方向运动，由此将太阳能转化成空气的动能，风能也就因此产生了。风能与传统的能量形式不同，它不会产生污染物危害环境并且广泛的存在于自然界中，是一种清洁的、可靠的、可再生的能源，风能利用的最重要形式之一就是风力发电，如果可以提高对风能发电的转化率，降低风力发电的成本，可以极大地方便人们的生活，减轻化石能源的压力，并达到节能环保的目的。

我国的每年的风力发电量可达到3660亿千万时（2019年1月），风电技术已经比较成熟，与同为清洁能源的太阳能相比，风力发电的成本更低，经济效益好，随着风电的发展和进步，在一些西方发达国家中，风力发电的成本已经逐渐低于化石能源发电，并且其成本处于逐年下降的良好趋势。但是风力发电依然存在一些不足，如地域性和季节性强，不是所有地区都适合建造风力发电场，需要建立在风速风向适宜，以及持续时间长的风能资源丰富的地带。这就使得风度风向等相关信息的测量监控有了很重要的参考价值，风速风向是巨风电场的建造选址的决定性因素之一，也会影响风电机组结构的设计与搭建。因此在风电领域中，提升风速风向测量的精确度并且实现实时监控，可以有效节约风电场建造成本，以及偏于日后风电设备的维护检修。

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