胡文杰

【摘要】? ? 本文闡述了加速度傳感器測量角度值的具體原理，設(shè)計并研制了以STM32單片機(jī)為控制核心， 由ADXL345加速度傳感器，通訊模塊，顯示器模塊等電路元器件組成的硬件裝置。該裝置能在塔筒的傾斜范圍內(nèi)完成精確的數(shù)據(jù)采集，而后經(jīng)過通訊模塊輸送到計算機(jī)后臺，方便實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

【關(guān)鍵詞】? ? STM32? ? ADXL345? ? 無線通訊? ? 風(fēng)機(jī)塔筒? ? 角度測量

引言：

確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)營是風(fēng)電行業(yè)的重要工作。目前，我國的主力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)組為1500KW，其塔高65m，屬于高聳建筑。風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)電機(jī)組的主要支撐裝置，在機(jī)組正常工作時，塔筒會因風(fēng)輪等大型部件的荷載變化而產(chǎn)生變形傾斜現(xiàn)象，嚴(yán)重地甚至造成了倒塔事故。對風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜角監(jiān)測是評估裝機(jī)是否合格的重要依據(jù)，也是日常運(yùn)維值得關(guān)注的一項指標(biāo)。

基于此，本文設(shè)計了一種針對塔筒測量的前端設(shè)備， 該設(shè)備要求在塔體可能傾斜區(qū)域內(nèi)排除振動干擾并做出精確的測量，同時通過藍(lán)牙通訊模塊，能夠?qū)⒔嵌葦?shù)據(jù)送入后臺。為完成該測量設(shè)備的設(shè)計要求， 本設(shè)計應(yīng)用了32位超低功耗單片機(jī)STM32，由它來配合有關(guān)模組，利用程序來實現(xiàn)測顯與通訊的功能。

一、硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)電路由電源電路、STM32微處理器及外圍電路、ADXL203加速度傳感器、顯示器模塊及藍(lán)牙通信模塊組成。其中，STM32微處理器及外圍電路包括復(fù)位電路、晶振電路、電容電感濾波電路組成。硬件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計， 方便在Keil平臺利用C語言開發(fā)編程實現(xiàn)。

系統(tǒng)框圖中，按鍵Key1、Key2主要是用來啟動角度測量或顯示;單排針座Header設(shè)計的目的是為了便于電路與外部子模塊插接相連。

標(biāo)號X、Y、Z的管腳分別與加速度傳感器的三個測量軸相連接，通過ADC模塊進(jìn)行電位采集，并送入STM32編程得到角度值，最后驅(qū)動顯示器顯示角度。當(dāng)加速度為最大值時，對應(yīng)單片機(jī)管腳電壓為最大值。當(dāng)加速度為最小值時，對應(yīng)單片機(jī)管腳電壓為最小值。在此范圍內(nèi)，加速度值變化與管腳電位為線性關(guān)系。

本系統(tǒng)使用ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)化器，用來將加速度傳感器采集到的電壓模擬信號，通過逐次積分后轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號。該數(shù)模轉(zhuǎn)化器正常工作時需要利用500K轉(zhuǎn)換時鐘信號CLK將單片機(jī)ALE管腳的2M頻率信號進(jìn)行四分頻運(yùn)算，該功能的實現(xiàn)可由74LS393芯片輔助完成。

二、軟件設(shè)計

2.1 傾斜角測量原理

ADXL345是ADI公司推出的三軸數(shù)字加速度計，具有低功耗、體積小，測量分辨率高（13位）等特性，同時具備16Bit數(shù)字輸出，高達(dá)4mg/LSB的靈敏度，適合用作測量模塊實現(xiàn)角度的測量。

當(dāng)芯片水平靜置時測量軸與重力加速度方向如圖3所示。顯然，此時X、Y軸方向的加速度分量為0g，而Z軸方向的加速度分量為g。

更一般的情況為芯片發(fā)生傾斜，各測量軸與水平方向有一些夾角，則其圖像如圖4所示。

標(biāo)定X軸、Y軸、Z軸方向的加速度分別為AX、AY、AZ，與水平線的夾角分別為α1、β1、γ1，與重力加速度的夾角分別為α、β、γ。

則根據(jù)角度關(guān)系，g在各軸方向上的分量為：

AX =g×cosα=g×sinα1

AY =g×cosβ=g×sinβ1

AZ =g×cosγ=g×sinγ1

即sinαK =AK /g， K指代X，Y，Z? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

在測量軸與重力方向的二維平面內(nèi)，加速關(guān)系為 g2=AK2+（g×cosαK）2，進(jìn)一步得到

， K指代X，Y，Z? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

由（1）（2）可推得：

最后利用反三角函數(shù)計算各軸的弧度值，并轉(zhuǎn)化為角度值：

式中，三軸加速度大小AX、AY、AZ可在單片機(jī)控制下由ADC模塊測得。

2.2系統(tǒng)流程圖

單片機(jī)軟件程序主要是完成采集、測量、顯示等基本功能， 同時還需要解決零度角校準(zhǔn)、振動誤差優(yōu)化、通訊問題。

對于軟件程序的運(yùn)行，在硬件系統(tǒng)初始化處理結(jié)束后，分配雙線程，一個線程負(fù)責(zé)角度數(shù)據(jù)的讀取、存儲和管理，另一個線程負(fù)責(zé)下發(fā)報文的解析和傳輸，具體流程如圖5所示[1]。

2.3上位機(jī)開發(fā)

開發(fā)了上位機(jī)配置軟件，可根據(jù)不同的場合要求修改角度測量裝置的內(nèi)置程序滿足實際應(yīng)用。可配置內(nèi)容包括波特率、數(shù)據(jù)位、獲得數(shù)據(jù)的模式以及傳輸速度等，如圖6所示。

實際情況中，風(fēng)機(jī)塔筒工作地基存在較小的絕對的傾斜角度，因此在測量角度時應(yīng)當(dāng)考慮零度角已傾斜的一般情況。解決辦法是：在電源供電輸入按鍵信息的初始時刻，裝置需要選取并保存起始時刻的絕對角度，以后每次計算角度均需要減去這個角度以此得到相對地基的傾斜角度。

關(guān)于振動問題，一般在塔筒正常工況及弱風(fēng)作用下，塔筒都會持續(xù)經(jīng)歷較小的振動，振動大小主要因塔筒質(zhì)量、風(fēng)速而有所不同[2]。要正確排除較小的振動誤差干擾，需要同時采用兩種方法：一是程序優(yōu)化，即發(fā)現(xiàn)有較小角度持續(xù)變化時，軟件延時一段時間再檢測，此時應(yīng)當(dāng)使角度值穩(wěn)定在上一次的測量值;二是硬件優(yōu)化，即用基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)電路、RC濾波器等通過穩(wěn)壓來減少干擾。此外，還可以使用更為復(fù)雜的算法進(jìn)行濾波處理。

三、結(jié)束語

文章設(shè)計了基于STM32的風(fēng)機(jī)塔筒測量裝置的硬件系統(tǒng)，使用Altium Designer軟件搭建硬件電路系統(tǒng)，Keil編程實現(xiàn)模塊功能。與傳統(tǒng)角度測量儀器相比，該裝置成本低、可靠性強(qiáng)，能在塔筒可能發(fā)生傾斜的區(qū)域內(nèi)作出精確測量并在顯示屏上顯示，其測量精度達(dá)0.1度。同時，在硬件及程序上優(yōu)化了振動誤差的干擾，并制作上位機(jī)軟件以實現(xiàn)角度值通過有線或無線通訊傳輸給計算機(jī)終端。另外，該裝置具備零度角校準(zhǔn)功能，防止使用年限久或其他原因造成基準(zhǔn)零度角不準(zhǔn)確。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]姚步堂，趙江海.機(jī)器人關(guān)節(jié)角度測量裝置的設(shè)計及標(biāo)定方法[J].電子世界，2019（14）：5-8.

[2]陳云花. 基于振動測試的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2009.