基于STM32的风速风向传感器设计

news2025/1/22 13:09:51

引言

本项目设计了一个基于STM32的风速和风向传感器系统，能够通过组合使用旋转式风速传感器和电子罗盘，实时测量风速和风向，并将数据通过显示屏或无线模块发送给用户。该系统适用于气象监测、环境监控、农业自动化等场景，具有准确、实时的监测功能。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
风速传感器（如霍尔效应传感器配合旋转杯式风速仪，用于测量风速）
电子罗盘模块（如 HMC5883L，用于测量风向）
OLED 显示屏（用于显示风速、风向数据）
USB-TTL 串口调试工具
电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

风速传感器连接：将霍尔效应传感器的输出引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA0），用于检测风速传感器的转速（每转一个脉冲）。
电子罗盘连接：将 HMC5883L 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于测量风向角度。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示风速和风向。
其他连接：为 STM32、传感器和显示屏提供适当的电源，并确保信号线接线正确。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 用于检测风速传感器的脉冲信号。
配置 I2C，用于与 HMC5883L 电子罗盘和 OLED 显示屏通信。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写风速脉冲检测、风向测量、数据计算、状态显示的代码。以下是风速风向传感器的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "hmc5883l.h"
#include "oled.h"
#include "gpio.h"

// 定义计时器和风速参数
#define WIND_SPEED_PIN GPIO_PIN_0  // 风速传感器引脚
#define WIND_CIRCUMFERENCE 0.7     // 旋转杯的周长（米）
#define PULSE_PER_ROTATION 1       // 每次旋转产生一个脉冲
#define TIME_INTERVAL 1            // 采样间隔（秒）

// 函数声明
void System_Init(void);
void Measure_Wind_Speed(void);
void Measure_Wind_Direction(void);
void Display_Status(void);

// 全局变量
uint32_t pulse_count = 0;       // 风速传感器的脉冲计数
float wind_speed = 0;           // 计算出的风速（m/s）
float wind_direction = 0;       // 计算出的风向（角度）

void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    
    OLED_Init();
    HMC5883L_Init();
    
    OLED_ShowString(0, 0, "Wind Sensor Ready");
}

// 计算风速
void Measure_Wind_Speed(void)
{
    // 每秒钟采集一次脉冲计数
    wind_speed = (pulse_count / PULSE_PER_ROTATION) * WIND_CIRCUMFERENCE / TIME_INTERVAL;
    pulse_count = 0;  // 清除计数，等待下一次测量
}

// 计算风向
void Measure_Wind_Direction(void)
{
    wind_direction = HMC5883L_GetHeading();  // 读取电子罗盘的角度值
}

// 显示风速和风向
void Display_Status(void)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Speed: ");
    OLED_ShowFloat(48, 0, wind_speed, 2);
    OLED_ShowString(0, 1, "Dir: ");
    OLED_ShowFloat(48, 1, wind_direction, 2);
}

// 处理风速传感器的脉冲中断
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == WIND_SPEED_PIN)
    {
        pulse_count++;  // 每次中断增加脉冲计数
    }
}

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        Measure_Wind_Speed();     // 计算风速
        Measure_Wind_Direction(); // 计算风向
        Display_Status();         // 显示状态
        HAL_Delay(1000);          // 每秒更新一次数据
    }
}

4. 各模块代码

风速传感器脉冲检测

通过 GPIO 检测风速传感器的脉冲信号，计算风速：

#include "gpio.h"

// 初始化风速传感器引脚
void Wind_Sensor_Init(void)
{
    // 配置 GPIO 为外部中断模式，用于检测风速脉冲
    HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_PIN_0);  // 使用 GPIO 中断
}

// 每次检测到脉冲时，增加计数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == WIND_SPEED_PIN)
    {
        pulse_count++;  // 增加脉冲计数
    }
}

电子罗盘风向测量

通过 HMC5883L 电子罗盘获取风向的角度值：

#include "hmc5883l.h"

// 初始化电子罗盘
void HMC5883L_Init(void)
{
    // 配置 I2C，用于 HMC5883L 读取
}

// 获取当前风向角度
float HMC5883L_GetHeading(void)
{
    // 从 HMC5883L 读取角度数据
    return 45.0;  // 假设返回的风向为45度
}

OLED 显示

OLED 显示屏用于显示当前的风速和风向数据：

#include "oled.h"

// 初始化 OLED 显示屏
void OLED_Init(void)
{
    // OLED 初始化代码
}

// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{
    // 在 OLED 显示屏上显示字符串
}

// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{
    // 显示带小数的数值
}

// 清屏
void OLED_Clear(void)
{
    // 清除 OLED 显示内容
}

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系统工作原理

风速测量：系统通过旋转式风速传感器获取风速的脉冲信号，每次旋转产生一个脉冲信号，STM32通过GPIO外部中断记录脉冲数，并根据脉冲数、时间间隔和传感器的旋转半径计算出当前的风速（米/秒）。
风向测量：通过电子罗盘（HMC5883L）测量风向，电子罗盘能够通过地球磁场检测当前的角度，从而得出风向信息（0°~360°）。
状态显示：OLED显示屏用于实时显示当前的风速和风向数据，便于用户观察。