摘  要： 基于熱擴散原理設計了一款熱式風速傳感器,，它是以Flow Sens FS5為感應元件，將其接入傳感器電路之中,，通過模擬采集電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,。將電壓信號經(jīng)差動放大電路放大之后，再經(jīng)過信號濾波電路進行濾波,，使電壓的幅值比較穩(wěn)定,。最后由MSP430F149單片機的A/D定時采集電壓信號，單片機處理采集數(shù)據(jù)并在液晶上顯示風速值,。

　　關鍵詞： MSP430單片機,；FS5感應元件；熱式風速傳感器,；LCD

0 引言

　　在地面風的測量中,，主要的測試手段為：機械式測量、熱膜熱線測量,、激光測量,、超聲波測量等[1]。風的傳感器種類很多,，如旋轉(zhuǎn)風杯風速計,、熱線風速傳感器、激光風速儀,、超聲波風速傳感器,。熱式風傳感器因其響應時間短、測量部件小、抗沖擊能力強而廣泛應用于各行各業(yè),。

　　本文主要基于熱擴散原理來設計熱式風速傳感器,，采用熱線為感應件達到測量風速的目的。即把熱膜探頭FS5接入傳感器電路之中,，再把氣體流量信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,，經(jīng)過差動放大電路把信號放大后送入MSP430F149單片機的一個12位AD通道；MSP430單片機再根據(jù)采集到的電壓信號計算出相應的氣體的流量即風速,，最終顯示在液晶顯示器上,。

1 總體設計及工作原理

　　本系統(tǒng)設計主要由微控制器MSP430F149單片機模塊[2-5]、熱式感應元件,、模擬信號采集電路,、信號放大電路、信號濾波電路,、電源模塊,、LCD液晶顯示等模塊組成，如圖1所示,。

　　熱式風速傳感器由模擬信號采集電路采集風速信號,，再經(jīng)由信號放大電路把信號進行放大，由信號濾波電路對電壓進行濾波,，使電壓的幅值比較穩(wěn)定,，之后再由分壓電路對前段的輸出電壓進行分壓，使其小于   3.3 V,，MSP430單片機的自帶A/D采集電壓值，CPU處理數(shù)據(jù),，最后在液晶上顯示風速,。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 FS5感應元件

　　熱式風速傳感器是基于熱擴散原理所設計的，氣體流過發(fā)熱物時,，熱損失與氣流量的多少成一定比例,，從而測量氣流的大小。傳感器部分有兩個不同阻值的RTD,，一個用來測量氣體的溫度,，一個作為熱源。當有氣體流過時,，它們之間的溫差與風速成線性關系,。其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

　　傳感器的測量范圍廣,，為0~0.1 m/s~100 m/s,，具有體積小容易適應不同的應用或安置設備、信號的處理和校準簡單、無機械移動部件重現(xiàn)性好,、長期穩(wěn)定性高,、性價比高等特點。

　　2.2 模擬信號采集電路

　　熱式風速傳感器由FS5為感應元件,，由于空氣流動,，帶走熱量，使得集成在FS5內(nèi)的RH和RS的阻值變化,，通過模擬采集電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,，采集的電壓值也發(fā)生變化，再經(jīng)由信號放大電路把信號進行放大,，然后經(jīng)MSP430單片機的A/D定時采集電壓信號,，單片機處理采集數(shù)據(jù)并在液晶上顯示風速值。模擬信號采集電路如圖3所示,。

　　2.3 放大電路

　　運放要考慮器件特性,，避免開環(huán)增益過低或者不穩(wěn)定，從而改變?yōu)V波器傳輸函數(shù)的性質(zhì),。另外,，有源器件不可避免會引入噪聲，減低了信噪比,，需要考慮運放的輸入輸出阻抗等參數(shù),。因此電路中選用TLV27L2高精密運放[6]，三極管選用BD237互補硅功率晶體管,。差動放大電路具體電路如圖4所示,。

　　如果選用的R11、R12,、R13和R14電阻值相等,，那么它的放大倍數(shù)為1，輸出電壓V3=V2-V1[7],。差動放大電路常用于一般的放大電路中,。

　　2.4 模擬信號濾波電路

　　典型的模擬濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器以及貝塞爾濾波器等[8],。但是在通帶內(nèi)巴特沃斯濾波器的幅頻特性最為平坦,，還有單調(diào)變化的優(yōu)點[9]，模擬電路后端結(jié)構(gòu)選用壓控電壓源型濾波電路,，此電路所用的元件數(shù)目很少,，對有源器件特性理想程度要求相對比較低，復雜度低,，方便調(diào)理,，廣泛應用于很多電子設備,。具體電路圖如5所示。

　　2.5 復位電路

　　在單片機系統(tǒng)里,，單片機需要復位電路,，復位電路可以是R-C復位電路，也可以用復位芯片來實現(xiàn)復位電路,。具體電路圖如6所示,。

　　本文設計選用R-C復位電路，比較經(jīng)濟,。為減少輸入電源紋波的干擾,，在復位電路里加了一個104電容來實現(xiàn)濾波。

　　2.6 液晶顯示

　　本設計中使用的LCD顯示模塊為12864液晶顯示屏,，除了用于顯示當前風速和平均風速,，還可以在液晶上的坐標軸上打點，顯示一段時間的風速情況,。

　　2.7 電源電路

　　模擬信號模塊需要+12 V供電,，而MSP430F149控制芯片需要3.3 V供電。+12 V電壓是外部輸入,，由電壓轉(zhuǎn)換芯片SPX1117M3-3.3轉(zhuǎn)換輸出3.3 V,，發(fā)光二級管是用來檢測電源電路是否工作正常的。電源電路圖如圖7所示,。

　　在電壓的輸出端的引腳增加了一個0.1的電容來實現(xiàn)濾波,，以減少電源輸入紋波對單片機的影響。單片機還有模擬輸入端,，因此用0 的電阻用來隔離數(shù)字地和模擬地,，用電感來隔離數(shù)字電源和模擬電源，模擬電源輸入端增加了一個濾波電容來減少干擾,。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 總程序設計

　　系統(tǒng)的軟件主要包括模擬量的采集模塊,、A/D模塊、液晶顯示模塊和主處理模塊,。通電后，對單片機的寄存器控制器進行初始化,，顯示開機界面,，點擊開始測試，打開中斷,，A/D采集和定時器開始工作,，當定時時間到，程序進入中斷服務程序,，進入數(shù)據(jù)的采集處理階段,，然后在液晶上顯示,，然后循環(huán)執(zhí)行采集、處理,、顯示程序,。具體流程圖如圖8所示。

　　3.2 主處理模塊軟件設計

　　程序編寫的部分主要是將各個模塊程序進行調(diào)用和數(shù)據(jù)處理,，主程序模塊一般先進行必要的初始化程序,，然后打開中斷，循環(huán)處理數(shù)據(jù)的采集,、換算和顯示,。具體流程圖如圖9所示。

　　3.3 AD轉(zhuǎn)換軟件設計

　　定時器確定模擬量的數(shù)據(jù)采集時間間隔,，定時中斷時,，停止A/D轉(zhuǎn)換，讀取A/D所采集數(shù)據(jù),，完成數(shù)據(jù)讀取后啟動A/D,。當然，如果讀到新的數(shù)據(jù),，主程序通過一個設置的標準位可得知,。這個程序模塊是基于中斷服務結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。相應的程序流程如圖10所示,。

4 系統(tǒng)調(diào)試及其結(jié)果

　　為了得到整體設計效果,，要把硬件和軟件調(diào)試結(jié)合起來，對于不同的硬件部分則應該用不同的程序模塊進行調(diào)試,。軟件調(diào)試涉及電壓轉(zhuǎn)換為風速的算法,，可以把測得的實際值和換算后的電壓值顯示在液晶上，方便調(diào)試,，查看效果直觀,。經(jīng)過聯(lián)合調(diào)試，整個系統(tǒng)的軟件和硬件能夠正常運行,。表1為測試數(shù)據(jù),。

　　從表1可知，熱式風速傳感器測得的風速與實際的有明顯的誤差,，但根據(jù)風杯風速傳感器計量性能要求[10-11],，其誤差都在最大允許誤差±（0.5+0.03 v）m/s范圍之內(nèi)，其中v為實際風速,?？偟膩碚f是滿足設計要求的。

5 結(jié)論

　　本文設計的熱式風速傳感器系統(tǒng)的主控單片機選用的是MSP430F149,，通過MSP430單片機的一個片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換通道與外部采集傳感器進行連接,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,，再由MSP430單片機對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，通過液晶顯示出風速值,。系統(tǒng)精度高,，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)顯示友好,。該設備功耗低,，電路簡單易懂，便于擴展發(fā)揮,，具有良好的應用價值,。

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