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STM32单片机倾角测量的风速风向传感器设计

时间:2019-03-31 09:30来源:毕业论文
设计了一种基于三轴加速度传感器和磁场传感器测量风速风向的测量装置。测量原理是根据内置三轴加速度传感器的装置在风力的作用下产生倾斜,重力加速度在传感器的xyz轴产生分量

摘要本文设计了一种基于三轴加速度传感器和磁场传感器测量风速风向的测量装置。测量原理是根据内置三轴加速度传感器的装置在风力的作用下产生倾斜,重力加速度在传感器的xyz轴产生分量,风速的测量依靠加速度与z轴产生的偏角,风向测量依靠偏移矢量后在xy平面的投影与x轴的夹角,再通过磁场传感器测量地磁偏角,以确定风向的实际方向。通过STM32单片机利用I2C接口采集传感器的测量数据并进行计算,通过串口将数据发送给计算机进行显示。34076
 关键词 三轴加速传感器  磁场传感器  地磁偏角 STM32   I2C
毕业论文设计说明书外文摘要
Title    the Sensor of Wind Speed and Direction base on Angle Measurement                  
Abstract  
This paper describes a device which can measure the speed and direction of wind that bases on triaxial accelerometer and magnetic field sensors.The measurement principle is under the influence of wind, gravitational acceleration generated in accordance with triaxial accelerometer xyz-axis component,thereby the new component will generate three certain angle.Then,using  magnetic field sensor to measure the magnetic declination to correct declination of gravity xyz axes produced . The measurement of speed is only depend on the angle of a-axis,the vector after offsetting projected in the x-y plane will generate a angle with x-axis which is used to measure the direction of wind.The specific formula is  relay on the model that you choose.Sensor according to I2C protocol to send data to the STM32, microcontroller processes the received data, and then passes the data through the serial port to monitor. 源自$六l维,论:文w网)加7位QQ3249^114 www.lwfree.cn
Keywords   Triaxial acceleration sensors,
           Magnetic field sensors,
           Magnetic declination,
           STM32,
           I2C目   次
1. 绪论    3
1.1  研究背景    3
1.2  技术背景    4
2. 系统功能分析和整体设计    5
2.1  风的属性描述    5
2.2  加速度与风速风向的关系    5
2.2.1 三轴加速度传感器    5
2.2.2  加速度数据计算风向    8
2.2.3  加速度数据计算风速    9
2.2.4 增加磁场修正风向计算    12
2.3  系统设计    14
3.  硬件系统设计    15
3.1  硬件部分    15
3.1.1  单片机部分    15
3.1.2  串口简介    16
3.1.3  I2C 总线技术    18
3.1.4  传感器模块    19
3.1.5  硬件连线图    20
3.2  风速风向测量模块设计    22
4.  软件设计    23
4.1  程序流程图    23
4.2  核心代码    24
5. 实验结果    27
致 谢    29
结 论    30
参考文献    31 源自$六l维,论:文w网)加7位QQ3249^114 www.lwfree.cn
1. 绪论
1.1 研究背景
风速风向的测量对风能资源的利用率有着十分重要的意义,对新能源技术的发展有着不可估摸的作用。风向风速的测量在天气预报和航海航空等领域有着十分重要的作用。正常的风对农业生产有利,对风向风速的测量对农业会有很大的帮助,而过大的风引起的自然灾害对农业作物产生巨大损失;风向和风速也会影响建筑物的布局、通风的效果,有时候不正常的风会给人类造成巨大的损害,精确测量风向风速有助于预防和减少风给人类带来的自然灾难,对于人类更好的提高生产生活与研究并利用风能资源有着重要的影响。测量风速风向的方法有很多,但是基本都基于这四大原理,分别为热学测量原理、流体力学测量原理、声学测量原理、仿生学测量原理。常用的测量风向风速方法有传统机械方法(如风杯,风向标),微机械热温差方法,超声波法,角度加速度传感器法。使用风标来测量风向,用风杯来测量风速,但是由于这些测量装置体积较大,价格昂贵,且有转动零件经常出故障,维护不方便。相对于风杯式测量风速风向技术来说,基于MEMS技术的传感器的风速风向装置不再涉及到外部部件机械的磨损,传感器性能稳定、功耗小、体积小以及测量精度也明显提高。但是在热平衡的过程中还会受到其他变量的影响,如热电流、流速、线温度,因为它们之间也相互干扰,使得传感器存在交叉灵敏度[11]。因此传感器的测量值受多种因素影响,从而使得测量精度和稳定性也随之降低。采用超声波进行气体流速测量,灵敏度高。具体测量方法可以采用时差法、多普勒法和涡街风速测量法。 时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速的[6],最早应用于超声波流量计,它适用于大、中口径管道及敞开水道流量的测量,此法受温度影响比较大。多普勒法适用于不洁净流体的测量。 涡街法适用于管道流体流速的测量。超声波在空气中传播时容易受到温度的影响,导致传播速度发生变化,而且不停的震动会干扰测量,并且布线很复杂应用成本也高。由于风场中的物体受到风压影响会倾倒或变形,所以通过测量物体的倾倒或变形程度也可以得到风速风向。加速度角度传感器是通过测量由于重力引起的加速度计算出器件相对于某一平面的倾斜角度。该传感器具有体积小、测量数据精度高、消耗功率低、便宜等特点。所以本设计采用角度加速度的方法测量风速风向。 STM32单片机倾角测量的风速风向传感器设计:http://www.lwfree.cn/zidonghua/20190331/31456.html
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