超声波风速风向传感器的研制

作     者：赵天 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜文娟

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 

主      题：超声波 风速风向 时差法 STM32 希尔-小波变换 

摘      要：随着我国双碳目标的提出,风力发电的发展势头愈发迅猛。但由于风的高随机性和不确定性对发电机组发电效率和输出功率具有较大的影响,这就需要风场中的实时风速风向信息,来调整发电机组的运行状态,确保发电机组能够高效、可靠、安全的运行。本文基于时差法对超声波风速风向传感器进行设计,选用STM32F407VET6微处理器作为系统的控制核心,对超声波的传播时间进行测量,从而计算风速和风向的具体数值。系统主要从硬件和软件两个部分进行设计。硬件部分:设计了微处理器最小系统,使其能够实现整个系统的工作逻辑控制;采用固定脉冲直接驱动大功率开关管的方式,对超声波换能器进驱动产生超声波;使用低功耗、高带宽的运算放大器进行信号处理电路的设计,对接收信号进行放大、滤波,再由电压比较器转换为数字信号最终由微处理器捕获处理;采用HMC5883L作为系统的方位检测单元,为传感器的安装提供参考;采用BMP180作为系统的环境检测单元,实时检测传感器工作环境;采用DC-DC模块和LDO电源芯片构建系统的电源电路,作为硬件电路中各芯片的供电来源;使用Altium Designer 20软件进行系统PCB板的绘制、布线和制板,最终完成硬件电路的整体测试。软件部分:采用定时器捕获中断方式获取超声波的传播时间,并由数组记录保存,便于微处理器计算时的调用;由微处理器IO的输出控制继电器和ADG904的通道切换,实现换能器发射和接收功能的转换;利用IIC通讯方式对气压温度模块和地磁模块的寄存器进行操作,实现对方位和气压温度信息的准确测量;对系统底层的通讯协议和时钟配置进行设计,实现外设模块与微处理器的通讯。在实验室环境搭建测试平台,对超声波风速风向传感器进行整机测试,并对测量误差进行分析。针对超声波传播时间的测量,采用希尔-小波变换进行优化,相比阈值法判断的信号到达时间提前了两个周期,提高了超声波信号传播时间的测量精度。