低功耗MEMS无线风传感节点测控系统的设计与实现

论文摘要

气象要素在国家的工业、农业、气象监测、环境保护等诸多领域发挥着重要作用。近年来,随着MEMS技术和无线传感网的快速发展,应用于无线传感网的MEMS热式风速传感器凭借小型化、便捷化的巨大优势在气象领域得到广泛应用。本文基于实验室最新设计的热式风速传感器的芯片结构,开展了如下工作:首先设计匹配软件PID(proportion integral differential)控制算法的硬件控制电路;其次设计包括PID控制算法、风速风向测控算法等一系列软件系统;然后针对系统功耗,从软硬件两方面着手提出改进方案。在具体设计上,首先,为匹配软件实现PID控制算法,设计出独立的基于测温二极管的测温电路,避免在硬件电路上温度信号的相互影响;其次,在具体PID算法实现上,采用增量式控制算法,将温差信号稳定地控制在误差允许范围内,而对于温度补偿问题,采用线性插值算法简化风速风向计算,利于实现传感器产品化;最后,在降低系统功耗上,本文从MCU工作方式和电源控制模块两方面入手,既有硬件方面的设计,也有软件上的设计,较好的降低系统功耗。经实际测试验证,本文的MEMS无线风传感器系统风速的测量范围为0.5m/s~30.0m/s,工作温度范围为0℃~40℃,风速风向在不同温度情况下分别可达到(0.5m/s±5%v)和±5°的精度,系统平均功耗在300mW以下,总的来说,传感器系统的各项指标达到既定要求。MEMS热式风速传感器的两个缺点限制了其在无线传感网中的应用。一方面是硬件电路较复杂,调试难度高,标定工作量大;另一方面是系统功耗较高,无法在无线传感网中长久续航。本文在这两方面做了较大改进,使得传感器系统在未来无线传感网中的应用将更加广泛。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋坤

导师: 秦明,张宇星

关键词: 热式风速计,算法,恒温差控制,线性插值,温度补偿

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 气象学,电信技术,自动化技术

单位: 东南大学

分类号: P412;TN929.5;TP212.9

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003193

总页数: 76

文件大小: 5503K

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