风力载荷中的林木动力学行为检测装置的制作方法

本技术提供一种对在风力载荷作用下的林木的动力学行为进行检测的装置。

背景技术：

林木在生长过程中，空气、阳光固然不可缺少，但风力对林木的影响也很大。尤其是在三北防护林，风力较大，常年累月对林木吹，对林木的生长状况影响更大。

为了对林木动力学行为进行检测，特别是检测林木在风中的加速度变化情况，以定量了解林木受风力的影响尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种风力载荷中的林木动力学行为检测装置，该装置用传感器测量以得到准确直观的数据，从而可以深入了解林木在风力作用下的行为动力学。

本实用新型所述的风力载荷中的林木动力学行为检测装置，它包括MUP6050加速度传感器、STC15F4K58S4单片机、用于向单片机供电的电源模块、与单片机电连接的显示器；加速度传感器固定在需要测量的目标上，加速度传感器与单片机电连接；MUP6050芯片工作于I2C模式，其23脚SCL,24脚SDA分别与单片机P3.4脚、P3.3脚相连。

本实用新型的有益效果：使用本装置进行对树木进行动力学行为检查时，把加速度传感器固定到所需检查的林木部位上如树梢末端、树干上部等。当树木被风吹动时，加速度传感器返回数据给单片机，通过单片机对数据处理后送显示器显示。MUP6050芯片工作于I2C模式，其23脚SCL,24脚SDA分别与单片机P3.4脚、P3.3脚相连。单片机遵从I2C协议从传感器中读出数据并进行处理。MUP6050加速度传感器能够测定x、y、z三个方向的加速度，能真实的反映林木在风中的振动、摆动等现象，测量更加准确。

所述的林木动力学行为检测装置，电源模块为把3V干电池使用SX1308芯片升压到5V的电源模块，SX1308芯片的1脚为开关节点，接一个47mH的电感；2脚接地；3脚为输出反馈脚，连接两个反馈分压电阻设置输出电压；4脚为使能脚，5脚为输入电源脚，4脚和5脚均接3V干电池正极；6脚悬空。

本实用新型以3V干电池作为能量源，特别适合于野外作业，但单片机需要5V电压，本实用新型采用SX1308芯片升压到5V，基本不需要额外的元器件，线路连接简单，性能可靠。

所述的林木动力学行为检测装置，采用RT9193-33芯片把5V电压降压至3.3V用于向MUP6050芯片供电；RT9193-33芯片的1脚与单片机的电源输出脚相连，输入5V电压，5脚输出3.3V电压，与MUP6050芯片的输入电源脚相连。

MUP6050加速度传感器芯片需要的电源电压为3.3V，本实用新型一RT9193-33芯片进行降压。

所述的林木动力学行为检测装置，LCD1602液晶显示屏的1脚GND接地；2脚VCC接5V正电源；3脚是对比度调整端，接一个1K的电位器；4～6脚为RS、R/W、E端口分别与单片机的P2.3、P2.2、P2.1相连；7脚～14脚为数据口，接到单片机P0口；15脚、16脚分别为背光源的正负极。

附图说明

图1是林木动力学行为检测装置的电路图；

图2是单片机示意图；

图3是电源模块示意图；

图4是加速度传感器模块示意图；

图5是显示器模块示意图；

图6是加速度传感器与树梢关系示意图。

具体实施方式

参见图1所示的林木动力学行为检测装置，主要包括STC15F4K58S4单片机(单片机最小系统)、MUP6050加速度传感器、电源模块、显示器等。

1、单片机最小系统

参见图2，由于我们采用的STC15F4K58S4单片机，其内置高可靠复位电路，ISP编程时可以设置内部时钟。所以无需外部复位电路及外部晶振，只需要提供电源即可。

2、电源模块

参见图3，我们采用一节3V干电池供电。由于单片机所需电源电压为5V所以我们使用SX1308升压模块把电源升到5V。

SX1308芯片用6个引脚。

1脚为开关节点，接一个47mH的电感。

2脚为GND，接地。

3脚为输出反馈脚，通过调节调整反馈分压电阻R10和R11来设置输出电压，公式为：

4脚为使能脚，接电源。

5脚为输入电源脚，接电源。

6脚为NC，悬空不接。

其中输出的+5V和GND之间并联接入47uF和0.1uF电容，用于滤波。

3、加速度传感器

参见图4，由于本装置使用的加速度传感器芯片为MUP6050，其需要的电源电压为3.3V，所以我们使用RT9193-33芯片进行降压。

其中芯片1脚输入5V电压，5脚输出3.3V电压用于MUP6050芯片供电。

其中MUP模块本工作于I2C模式。其中重要引脚为23SCL,24SDA脚，分别与单片机P3.4P3.3相连。单片机遵从I2C协议从传感器中读出数据并进行处理。

4、显示器

参见图5，显示器采用LCD1602液晶显示屏。根据系统的设计要求，用于显示频率、次数及振幅。其中LCD1602液晶显示屏的1脚GND接地；2脚VCC接5V正电源；3脚是对比度调整端，接一个1K的电位器；4～6脚为RS、R/W、E端口分别与单片机的P2.3、P2.2、P2.1相连；7脚～14脚为数据口，接到单片机P0口；15脚、16脚分别为背光源的正负极。

具体操作过程。

首先将加速度传感器1沿着树梢2方向固定(树梢在加速度传感器所在平面内，如图6)，以树梢长度方向为X轴，垂直于传感器表面向上为Z轴。当树枝在风力的作用下摆动时，传感器将返回X,Y,Z三个轴方向的加速度值a_x a_y a_z以及传感器表面与水平面的倾角θ。传感器遵从I2C协议，主控芯片将实时读取出传感器的数据。

单片机将数据进行无方向化得到：

由于数据有噪音干扰，所以进行滤波处理。

把S值进行累加20次然后求平均值得到最后滤波后的数据。

设定一个阈值S_th。

当S′≥S_th时，视为树梢进行了一次摆动。

假定设定的阀门时间T为1S，

计算1S中的摆动次数则N可以得到频率：

同时，加速度传感器也可以检测到倾角θ。

最后把得到的数据用LCD1602显示。

本技术把加速度传感器并通过与单片机的电连接，运用了单片机的运算能力，进行数据处理得到我们所需数据。其外形尺寸小，携带方便，操作简单。