李长才1,2,肖金球1,2，张少华1,2

　　(1. 苏州科技学院 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；2. 苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州 215009)

　摘要：为了准确掌握气象动态，实时可靠获得风速信息，设计了基于STM32微控制器的风速监测系统。该系统采用三杯式风速传感器作为传感设备，STM32芯片作为主控制器,SP3485收发器和HAC-UM数传模块作为通信传输模块。给出了基于STM32风速测量技术、硬件设计的总体框架以及系统软件实现方法。通过STM32定时器捕获脉冲频率，实现了对风速实时准确的监测。经测试，该系统具有功耗低、性能稳定、测量精度高、功能扩展方便等特点。

　关键词：STM32；风速测量；三杯式风速传感器；输入捕获

0引言

　　江苏省住房和城乡建设厅科技项目（2014JH12）；汽车电子功率元件批量自动测试装置的研制（XKZ201413）风速作为一项关键的气象要素，其数据的检测分析越来越受到人们的重视。在工业、农业、气象等领域，也需要对风速信息进行实时准确的监测。传统的风速测量［1］大多采用8/16位单片机，其在网络通信功能、数据查询与存储以及实时性等方面有所欠缺。本文采用32位ARM处理器，因其在功耗、可靠性、实时性以及运行速度等方面有明显的优势，更适合于风速测量。采用三杯式风速传感器具有启动风速小、抗风强度好、线性度和测量精度高等优点，因而得到广泛的应用。本文研究的风速测量系统能够快速准确地进行风速采集，并将测量结果实时传送至上位机进行数据分析与保存，为气象监测、农业生产及自然灾害预防提供有力的帮助。

1三杯式风速传感器与测量技术

　　1.1三杯式风速传感器

　　风速传感器的感应元件是由3个处于同一平面、互成120°的半球形空杯组成的。3个风杯被装在一个可以自由转动的轴上，轴上装有磁棒盘，在水平风力的驱动下风杯组旋转，带动磁棒盘旋转，产生若干个旋转磁场，通过霍尔磁敏元件感应出脉冲信号，信号变换电路为霍尔集成电路［23］。

　　本系统采用EC91系列风速传感器［4］，该系列传感器具有线性精度高、互换性好、测量范围宽、抗风强度大等特点，启动风速小于0.5 m/s，测量范围为0~60 m/s，最大允许误差±（0.3+0.03V）m/s，分辨率小于0.1 m/s，其风速转化的计算公式为：

　　υ=0.1×f（1）

　　其中，υ为风速，f为脉冲频率。

1.2脉冲信号测量技术

　　STM32定时器输入捕获功能不仅能准确测量脉冲信号频率，而且操作方便。在测量低频信号时，可以通过配置PSC预分频器对TIM的时钟进行分频，降低计数器的计数频率，获得合适的频率测量范围。TIMx_CNT的计数范围为0~65 535，足够用于测量传感器产生的脉冲信号频率。

　　风速传感器输出脉冲信号，输入STM32定时器3的通道1，配置TIM3为输入捕获模式。如图1所示，TI1信号输入硬件滤波电路［5］，通过控制其采样次数，滤除因抖动等原因产生的高频脉冲信号，利用了STM32内部资源，简化了外围电路。设置通道1边沿检测为上升沿捕获，通过触发捕获/比较寄存器，捕获TIM3_CNT计数器的值到TIM3_CCR1寄存器中，读取计数值，等待进行下一次捕获。

　　若fck_psc经预分频器（PSC）分频后的频率为fck_cnt，如图2所示，两次捕获完成后得到的计数值为N, 则输入脉冲信号频率的计算公式为：

　　f=fck_cnt/N（2）

　　其中，fck_cnt为计数器频率,N为计数值。　

2硬件设计

　　系统硬件结构主要由ARM处理器、EC91风速传感器及接口、RS485通信接口、HACUM数传模块、LCD显示、键盘和电源等组成，如图3所示。ARM处理器采用STM32F103VC作为核心处理器。　

　　2.1CPU模块

　　CPU模块是整个系统的控制中心，控制各部分分别完成数据采集、计算、显示、通信以及存储等功能。STM32搭载ARM公司的具有先进架构的CortexM3内核［6］，具有多达8个定时器，每个定时器有4个用于输入捕获或脉冲计数的通道。STM32具有独立时钟的滴答定时器，产生系统运行的节拍，不占用CPU资源。本系统利用STM32的DMA通道实现内存风速数据与USART外设的数据传输，速度快，节省CPU资源；关闭没有使用的STM32管脚时钟，把功耗降至最低；利用滴答定时器分配各模块执行顺序，提高程序的执行效率。

　2.2信号采集模块

　　如图4所示，D1为3144单极开关型的霍尔传感器［7］，只感应南极磁场，电平翻转为低电平的条件是南极磁场的强度大于其设定的开启点。它采用开云棋牌官网在线客服集成技术制造的磁敏电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号，波形为方波信号。LM393电压比较器对电压信号处理后，输出为稳定的TTL电平，可直接输入STM32第31引脚，进行信号频率测量。　

　　2.3通信模块

　　系统提供两种通信方式：一种是短距离无线通信，采用无线传输提高应用的灵活性并节省铺线成本；另一种是RS485通信方式，最大传输距离标准值可达3 000 m，抗噪声干扰性好，具有多站能力,可方便地建立起通信网络。

　　无线通信采用HACUM数传模块，此模块具有可靠性高、体积小、重量轻的特点，具有多信道、智能数据控制的优势。硬件连接如图5所示，STM32的68管脚（RXD）和69管脚（TXD）分别与数传模块的TXD和RXD连接，利用串口通信，实现无线传输功能。　

　　RS485通信采用SP3485作为收发器，最大传输速度可达10 Mb/s，支持32个节点。如图6所示，RO是接收输出端，连接STM32的第26管脚；DI 是发送数据收入端，连接STM32的第25管脚；RE是接收使能端（低电平有效）；DE是发送使能端（高电平有效）。D1~D5是瞬态电压抑制二极管，用于浪涌保护、防雷击，保护SP3485芯片及内部接口电路。

　　软件设计包括初始化程序、主程序、定时器输入捕获子程序、LCD显示子程序、RS485通信子程序、HAC-UM数传模块无线通信子程序。系统主程序流程如图7所示。系统软件采用C语言开发，使程序便于阅读、修改与维护，编辑环境为Keil MDK4.10，而且可采用JTAG或者ISP在线下载与调试。

　　STM32的初始化程序主要是对系统时钟大小进行配置，对USART1、USART2的传输模式及波特率进行设置，对TIM3工作模式、计数器时钟频率进行配置，对DMA通道目标地址与源地址、传输方向等进行设置。LCD显示子程序主要是进行LCD驱动程序的编写，主程序中调用LCD显示函数。

　　定时器输入捕获子程序是软件设计中的关键部分，脉冲频率的测量、风速的计算与存储都是在其中断函数中实现的。程序流程图如图8所示，中断函数如下：

　　float speed［256］;//全局变量存储风速数据

　　void TIM3_IRQHandler(void)

　　{

　　static u8 CaptureNumber = 0;//捕获次数

　　static u8 i = 0;

　　static u16 IC3Value0 = 0;

　　//定义第一次输入捕获值局部变量

　　static u16 IC3Value1 = 0;

　　//定义第二次输入捕获值局部变量

　　float freq = 0;//脉冲频率

　　u16 counter = 0;//计数值

　　if(CaptureNumber == 0)

　　{

　　CaptureNumber = 1;

　　IC3Value0 = TIM_GetCapture1(TIM3);

　　//第一次捕获

　　}

　　else if(CaptureNumber == 1)//处理第二次捕获

　　{

　　if(TIM_GetFlagStatus(TIM3,TIM_FLAG_Update) != SET)//没有溢出的处理

　　{

　　IC3Value1 = TIM_GetCapture1(TIM3);//读取捕获值

　　counter = IC3Value1- IC3Value0;//计算两次捕获的计数值

　　}

　　else

　　{

　　TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update);//产生了更新事件

　　counter=0xFFFF-IC3Value0+TIM_GetCapture1(TIM3)+1;//有溢出的处理

　　}

　　CaptureNumber = 0;

　　if(couter!=0)

　　{

　　freq= 120000/counter;//计算频率

　　speed［i］ = 0.1 * freq;//转化成风速

　　i++;

　　if(i ==255)

　　i = 0;

　　}

　　}

　　TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1);

　　//清除TIM3中断标志位

　　}

　　图8捕获中断程序流图RS485通信子程序和无线通信子程序实现数据向上位机传输。应用STM32的DMA功能模块［8-9］，通过DMA控制器实现内存中的风速数据直接通过总线传输至USART的数据寄存器进行数据发送。传输过程不经过CPU处理，大大提高了软件系统运行的效率。

　　主程序中，通过扫描按键来选择通信方式，通过使能无线通信或RS485通信实现向上位机的数据传输。

4结论

　　本文针对风速测量系统的应用要求，设计了基于STM32三杯式风速传感器的风速监测系统。系统充分发挥了STM32芯片的优势，创新性地使用了STM32定时器输入捕获功能，检测输入脉冲频率，提高了系统的可靠性。巧妙地利用了STM32的DMA模块进行数据传输，提高了系统运行效率。此外，利用丰富的片上资源，简化了外围接口设计，实现了对风速实时准确的测量，拥有很好的应用价值。

　参考文献

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