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MEMS风速风向传感器的算法研究及优化设计

胡世镔  
【摘要】:气象要素如温湿度、气压、风力、光照条件、雨量、空气指数等与人们的日常生活密切相关,并在国家的工业、农业、气象监测、航空航天、资源采集开发、交通旅游、设施开发建设、环境保护等很多领域都有着举足轻重的作用。风速风向做为一组核心的参数,在常规气象测量领域更是至关重要。而传统的风速计多采用机械结构,有体积大且成本高的缺陷,并且由于夹杂有人工因素,故精密程度也受到一定程度的限制。MEMS风速风向传感器可以对外界风力风向进行独立、系统级的采集测量,并且具有高可靠性和低成本的特点,其优点可替代传统风速计成为主流。本文围绕实验室最新设计的热式风速计的芯片结构,在硬件电路架构基础上开展了系统软件部分的设计与优化,其重点在于软件框架的设计、功能模块的实现以及程序算法的设计优化。本文从软件的角度实现了各种适应性的功能模块,如AD/DA模块、UART模块、I2C模块、RTC模块、外部中断模块等。本文将各个功能模块进行独立化处理,每个单独的功能模块都介绍了其具体实现方法和设计考虑,并将工程中遇到的问题加以讨论,列出了注意事项。风速和风向的计算和温漂补偿是风速传感器系统的核心,在介绍完风速风向算法的原理之后,分别从变量的选取、线性插值算法、模式切换、温度补偿等多个方面优化并完善了整体的软件框架和程序算法。其中,基于线性插值算法的风速风向算法的精度较高(0.5m/s±3%),但在高风速下风速误差有变大趋势并且测试量较大(10h),改进的大量程低温漂的风速风向算法兼顾风速计算精度以及大量程的要求(量程为0~40m/s、精度为0.5m/s±3%),但由于其并未真正考虑到温度效应的影响使得在极端情况下的精度有所降低。考虑到温度效应影响后的风速风向算法能够达到对线性插值算法的温度补偿效果,进而实现了大量程(0~40m/s)、低温漂(0.5m/s±3%)、宽温度范围(-20℃~40℃)的风速风向算法,使热风速风向传感器即可以保持高精度的测试,又可以达到降低测试量的目标,同时还能兼顾到温度特性。经实际测试,性能指标均达到要求,其中:风速的测量范围为0~40m/s,工作范围为-20℃~40℃;风速、风向在不同温度情况下可达到0.5m/s±3%的精度和±3°;灵敏度分辨率指标可以达到全量程0.1m/s。本课题为实现本实验室的MEMS风速风向传感器的产品化打下了坚实的基础。


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