便携式MEMS热式风传感器的设计与实现

论文总字数：23564字

摘 要

各种气象因素，诸如风速风向、光照、温湿度、气压等等对人类的生产生活活动有着巨大的影响。其中，风速风向占据着重要的地位，对它的精确测量也是一大研究热门。近年来，MEMS热式风传感器凭借其高精度、高灵敏度、低成本和微型化等优点，正在成为测量风速风向的传感器首选。

本设计的目标是基于已有的风传感器探头，设计完整的风传感器系统，实现对0-30m/s量程风速下风速的精确测量和风向的自动识别。风速的测量采用特征电压对应风速数据进行标定的方法，风向的自动识别采取罗盘方位修正风向角的方法得到实际风向角度。本设计包括风传感器系统的硬件设计（电路原理图和PCB版图的制作），MCU软件设计，风速风向测量和其他性能的测试。

通过对传感器系统测量精度和性能的测试，系统风速测量误差小于±0.5m/s,风向自动识别测量误差小于±5°，满足测量精度的要求。另外在温度特性测试中，对系统的温度漂移进行分析和补偿设计。在功耗测试中，对功耗控制进行分析和思考。

本设计的创新之处在于：在风速测量中引入了电子罗盘的修正，使得系统得到风向在地理上的实际角度，便于风传感器系统在实际应用中的使用；对系统的温度漂移进行了简单的补偿设计，以及对软硬件结合进行优化补偿的展望。

关键词：MEMS，风传感器，风速风向，电子罗盘，温度漂移

Abstract

Meteorological factors, such as wind speed and direction, illumination, humiture, atmospheric pressure and so on, have huge influence on human’s production and living. Wind speed and direction plays an important role in these factors and the measurement of it is very hot . These years, MEMS thermal wind sensor is becoming the first choice for the measurement of wind speed and direction, for its high precision, high sensitivity, low cost and miniaturization.

The target of this design is designing a complete wind sensor system, which can measure wind speed and direction in the wind speed range of 0 to 30m/s precisely based on a MEMS wind sensor search unit of MEMS laboratory. The measurement of wind speed is based on the method of standardization to voltage and wind speed, and the measurement of wind direction is based on the method of correction to wind speed with electronic compass.This design includes the hardware design(drawing schematic circuit diagram and PCB layout), the software design on MCU, and the test on the measurement of wind speed and direction with other performances.

Through the test on the measurement of wind speed and direction with other performances, the error of the measurement of wind speed is smaller than ±0.5m/s and the error of the measurement of wind direction is smaller than ±5°, which meets the accuracy requirements.In addition, in the the measurement of temperature performance and power consumption, some analyses and designs are proposed.

There are places of innovation in this design: bringing in the correction of electronic compass which is useful in the usage of this system in the practical application, and making a simple design of compensation to the temperature drift of the system with an outlook that a combination of software and hardware can optimize the design of compensation.

KEY WORDS: MEMS, wind sensor , wind speed and direction, electronic compass, temperature drift

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1设计的背景和意义 1

1.2 热式风传感器测量原理和控制模式 2

1.2.1测量原理 2

1.2.2控制模式 3

1.3电子罗盘 4

1.3.1地磁与罗盘定向 4

1.3.2电子罗盘定向原理 5

1.4毕业设计的任务内容 6

1.5论文内容纲要 6

第二章 热式风传感器系统的硬件设计 7

2.1风速风向模块硬件设计 7

2.1.1 MEMS热式风传感器探头及芯片 7

2.1.2 恒温差模式控制电路的设计 8

2.1.3传感器热温差检测电路的设计 10

2.2电子罗盘定向模块 12

2.2.1电子罗盘和HMC5983芯片介绍 12

2.2.2电子罗盘处理电路设计 13

2.3 硬件设计的原理图和PCB版图 13

第三章 热式风传感器系统的软件系统和算法设计 15

3.1软件系统 15

3.1.1 C8051F411 MCU介绍 15

3.1.2 热式风传感器系统的软件流程 16

3.2风速风向的算法设计和优化 17

3.2.1风速的算法 17

3.2.2风向的算法 20

第四章 热式风传感器系统的测试和优化 22

4.1风速测量精度的测试 23

4.2风向测量精度的测试 24

4.3温度特性测试 26

4.3.1 无风时Vctd与温度的关系 26

4.3.2 Vh(Vctd)的温漂补偿设计 27

4.4供电与功耗 29

4. 4. 1供电模块 29

4.4.2功耗测量和功耗控制 30

4.5本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1工作总结 31

5.2工作展望 32

参考文献 33

致 谢 34

1. 绪论

MEMS热式风传感器系统，即通过软硬件设计，结合利用MEMS技术制作的热温差式风传感探头以及电子罗盘芯片，设计制作出能够较高精度测量风速和自动计算出风向实际方向的热式风传感器系统。另外此MEMS热式风传感器系统通过硬件的紧凑设计和功耗控制，便于以后和便携式气象仪连接通讯的设计实现。本章主要阐述该设计研究的背景和意义，包括有MEMS热式风传感器的测量原理和控制模式介绍，以及电子罗盘的原理应用和定位方法介绍。最后本章介绍了本设计项目的主要工作内容以及本论文的纲要。

1.1设计的背景和意义

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