三轴加速度传感器和单片机一体化风速风向传感器的设计(2)
(1) 查阅资料，对风速传感器的类别及实现原理及过程大致了解；
(2) 明确课题研究过程中的单片机，加速度传感器等相关概念，分析风速风向测量、数据处理和传输的功能逻辑和实现方式；
(3) 应用到实际问题上，准确的测量并显示风向。
1.2.3 技术背景
基于理论设计，本课题采用三轴加速度传感器作为风的感应元件，由计算可以将三轴加速度传感器采集的数据转化为相应的风速风向。
三轴加速度传感器是一款可以测量空间矢量x、y、z三个不同方向的微机电传感器。我们这里采用ADXL345三轴加速器来完成相关工作。该传感器为多晶硅表面微加工结构，是一款完整的三轴加速度测量系统，可选的测量范围有±2g,±4g，±8g和±16g。既能测量运动致使的动态加速度也能检测静止加速度，例如重力加速度，因而该器件能够作为倾斜传感器使用。该传感器内置的差分电容通过独立固定板和活动质量连接板组成，可以对结构偏转进行检测测量，加速度导致惯性质量发生偏转、差分电容失衡，由此加速度仪输出的幅值数据和加速度成正比关系。
本文研究的三轴加速度传感器具有体积小和重量轻的特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。在安装方面，也可以采用芯片直接安装技术封装。本文主要需要解决理论上的问题，即如何将三轴加速度的变化转换成为风速的大小和风向的角度问题。
单片机，即单片微型计算机，其硬件主要由CPU（运算器和控制器）、存储器、I/O接口和I/O设备组成，各组成部分间通过总线联系在一起。通过执行程序来工作。本文所用单片机为STM32系列型号，有关介绍在下文给出。
通过以上主要元件即可设计集风速、风向测量的一体化装置。以三轴加速度传感器所得到的数据在单片机中经过运算得到风速风向值，再经串口通信将所得结果在PC上显示。
2 理论分析
2.1 风速风向描述
风速是一个矢量，既有大小也有方向，本测量系统就是对风矢量风速大小和风向的测量。
如图2.1，用坐标轴定义矢量的方式描述风矢量，X、Y轴在水平面上，Z轴垂直于水平面，按坐标定义将风矢量在X、Y轴上进行分解。
其中由风矢量在水平面上的投影和X、Y轴的关系可确定风的方向，矢量的模即为风速的大小。
图2.1 风矢量描述
2.2 加速度与风速风向的关系
如图2.2所示可以表示风速风向与加速度的关系。其中坐标系O’-X’Y’Z’表示加速度传感器的坐标轴。传感器基于重力原理，在受到风力作用后，会在三轴方向上产生不同的影响，即重力加速度沿三轴分解的各分量会有所不同，这里便可以分析并推导出风速风向与三轴加速度传感器测出的三轴上的加速度数据之间的关系，其中传感器的重力检测轴偏离Z轴的角度大小与风速大小相关，可通过传感器所测得的三轴加速度数据计算，而风向则可通过风矢量在X-Y平面上的投影与X轴间的夹角来计算。如此，就可以通过加速度传感器测得的三轴加速度来求得风速与风向的数值。
图2.2 风速风向与加速度关系图
2.3 理论设计
基于三轴加速度传感器测量风速和风向，通过以上描述，本文所设计的传感器结构形式如图2.3所示。
如图所示为一个理想化设计的模拟装置：结构下部为一段长L1的迎风圆杆，上端为固定物体，可悬挂于天花板上，呈水平状态。在圆杆与固定物连接处（即支点处），杆件可自由绕支点做任何方向上的倾斜或旋转，自然状态下（无风时），杆件垂直于水平平面。为方便理论分析及测量工作，可以在杆件末端置一重物，使杆件装置受到的重力作用近似为重物受到的重力，以便下文对此模型进行理论公式推导，具体做法见图2.4.1。在杆件自然下垂状态下，将三轴传感器置于杆件末端，使传感器的XY平面与水平面平行（加速度传感器连接单片机），重力加速度沿Z轴向下垂直于水平面；有风时质地轻盈均匀的圆杆在水平均匀风的作用下带动末端三轴加速度传感器绕支点转动，杆件在重力和风力的共同作用下产生偏转角，并保持力矩平衡，此时传感器采集数据，并向单片机输入数据，单片机处理数据后，计算出风速风向值，再由接入的PC端显示。