基于STM32的風(fēng)機(jī)塔筒傾斜角測量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)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(jì)算機(jī)后臺(tái)，方便實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(shí)，塔筒會(huì)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(xiàng)指標(biāo)。

基于此，本文設(shè)計(jì)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(dòng)干擾并做出精確的測量，同時(shí)通過藍(lán)牙通訊模塊，能夠?qū)⒔嵌葦?shù)據(jù)送入后臺(tái)。為完成該測量設(shè)備的設(shè)計(jì)要求， 本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)測顯與通訊的功能。

一、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)， 方便在Keil平臺(tái)利用C語言開發(fā)編程實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)框圖中，按鍵Key1、Key2主要是用來啟動(dòng)角度測量或顯示;單排針座Header設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)顯示器顯示角度。當(dāng)加速度為最大值時(shí)，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(shí)，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(shí)需要利用500K轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)現(xiàn)可由74LS393芯片輔助完成。

二、軟件設(shè)計(jì)

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(jì)，具有低功耗、體積小，測量分辨率高（13位）等特性，同時(shí)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(shí)現(xiàn)角度的測量。

當(dāng)芯片水平靜置時(shí)測量軸與重力加速度方向如圖3所示。顯然，此時(shí)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(jì)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(shí)還需要解決零度角校準(zhǔn)、振動(dòng)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(gè)線程負(fù)責(zé)角度數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)和管理，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)下發(fā)報(bào)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)刻，裝置需要選取并保存起始時(shí)刻的絕對角度，以后每次計(jì)算角度均需要減去這個(gè)角度以此得到相對地基的傾斜角度。

關(guān)于振動(dòng)問題，一般在塔筒正常工況及弱風(fēng)作用下，塔筒都會(huì)持續(xù)經(jīng)歷較小的振動(dòng)，振動(dòng)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(dòng)誤差干擾，需要同時(shí)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(shí)，軟件延時(shí)一段時(shí)間再檢測，此時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)，在硬件及程序上優(yōu)化了振動(dòng)誤差的干擾，并制作上位機(jī)軟件以實(shí)現(xiàn)角度值通過有線或無線通訊傳輸給計(jì)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(jì)及標(biāo)定方法[J].電子世界，2019（14）：5-8.

[2]陳云花. 基于振動(dòng)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.