摘  要： 基于熱擴(kuò)散原理設(shè)計(jì)了一款熱式風(fēng)速傳感器,，它是以Flow Sens FS5為感應(yīng)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(hào),。將電壓信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大電路放大之后,，再經(jīng)過信號(hào)濾波電路進(jìn)行濾波，使電壓的幅值比較穩(wěn)定,。最后由MSP430F149單片機(jī)的A/D定時(shí)采集電壓信號(hào),，單片機(jī)處理采集數(shù)據(jù)并在液晶上顯示風(fēng)速值,。

　　關(guān)鍵詞： MSP430單片機(jī)；FS5感應(yīng)元件,；熱式風(fēng)速傳感器,；LCD

0 引言

　　在地面風(fēng)的測(cè)量中，主要的測(cè)試手段為：機(jī)械式測(cè)量,、熱膜熱線測(cè)量,、激光測(cè)量、超聲波測(cè)量等[1],。風(fēng)的傳感器種類很多,，如旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)、熱線風(fēng)速傳感器,、激光風(fēng)速儀,、超聲波風(fēng)速傳感器。熱式風(fēng)傳感器因其響應(yīng)時(shí)間短,、測(cè)量部件小,、抗沖擊能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

　　本文主要基于熱擴(kuò)散原理來設(shè)計(jì)熱式風(fēng)速傳感器,，采用熱線為感應(yīng)件達(dá)到測(cè)量風(fēng)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),，經(jīng)過差動(dòng)放大電路把信號(hào)放大后送入MSP430F149單片機(jī)的一個(gè)12位AD通道,；MSP430單片機(jī)再根據(jù)采集到的電壓信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的氣體的流量即風(fēng)速，最終顯示在液晶顯示器上,。

1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由微控制器MSP430F149單片機(jī)模塊[2-5],、熱式感應(yīng)元件、模擬信號(hào)采集電路,、信號(hào)放大電路,、信號(hào)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(fēng)速傳感器由模擬信號(hào)采集電路采集風(fēng)速信號(hào),，再經(jīng)由信號(hào)放大電路把信號(hào)進(jìn)行放大，由信號(hào)濾波電路對(duì)電壓進(jìn)行濾波,，使電壓的幅值比較穩(wěn)定,，之后再由分壓電路對(duì)前段的輸出電壓進(jìn)行分壓，使其小于   3.3 V,，MSP430單片機(jī)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(fēng)速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 FS5感應(yīng)元件

　　熱式風(fēng)速傳感器是基于熱擴(kuò)散原理所設(shè)計(jì)的,，氣體流過發(fā)熱物時(shí),，熱損失與氣流量的多少成一定比例，從而測(cè)量氣流的大小,。傳感器部分有兩個(gè)不同阻值的RTD,，一個(gè)用來測(cè)量氣體的溫度，一個(gè)作為熱源,。當(dāng)有氣體流過時(shí),，它們之間的溫差與風(fēng)速成線性關(guān)系。其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖2所示,。

　　傳感器的測(cè)量范圍廣,，為0~0.1 m/s~100 m/s，具有體積小容易適應(yīng)不同的應(yīng)用或安置設(shè)備,、信號(hào)的處理和校準(zhǔn)簡(jiǎn)單,、無機(jī)械移動(dòng)部件重現(xiàn)性好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性高,、性價(jià)比高等特點(diǎn),。

　　2.2 模擬信號(hào)采集電路

　　熱式風(fēng)速傳感器由FS5為感應(yīng)元件，由于空氣流動(dòng),，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(hào),，采集的電壓值也發(fā)生變化,，再經(jīng)由信號(hào)放大電路把信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)MSP430單片機(jī)的A/D定時(shí)采集電壓信號(hào),，單片機(jī)處理采集數(shù)據(jù)并在液晶上顯示風(fēng)速值,。模擬信號(hào)采集電路如圖3所示。

　　2.3 放大電路

　　運(yùn)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(huì)引入噪聲,，減低了信噪比，需要考慮運(yùn)放的輸入輸出阻抗等參數(shù),。因此電路中選用TLV27L2高精密運(yùn)放[6],，三極管選用BD237互補(bǔ)硅功率晶體管。差動(dòng)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(dòng)放大電路常用于一般的放大電路中。

　　2.4 模擬信號(hào)濾波電路

　　典型的模擬濾波器有巴特沃斯濾波器,、切比雪夫?yàn)V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(diǎn)[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(duì)有源器件特性理想程度要求相對(duì)比較低,，復(fù)雜度低,，方便調(diào)理，廣泛應(yīng)用于很多電子設(shè)備,。具體電路圖如5所示,。

　　2.5 復(fù)位電路

　　在單片機(jī)系統(tǒng)里，單片機(jī)需要復(fù)位電路,，復(fù)位電路可以是R-C復(fù)位電路,，也可以用復(fù)位芯片來實(shí)現(xiàn)復(fù)位電路。具體電路圖如6所示,。

　　本文設(shè)計(jì)選用R-C復(fù)位電路,，比較經(jīng)濟(jì)。為減少輸入電源紋波的干擾,，在復(fù)位電路里加了一個(gè)104電容來實(shí)現(xiàn)濾波,。

　　2.6 液晶顯示

　　本設(shè)計(jì)中使用的LCD顯示模塊為12864液晶顯示屏，除了用于顯示當(dāng)前風(fēng)速和平均風(fēng)速,，還可以在液晶上的坐標(biāo)軸上打點(diǎn),，顯示一段時(shí)間的風(fēng)速情況。

　　2.7 電源電路

　　模擬信號(hào)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(jí)管是用來檢測(cè)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(gè)0.1的電容來實(shí)現(xiàn)濾波,，以減少電源輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響,。單片機(jī)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(gè)濾波電容來減少干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 總程序設(shè)計(jì)

　　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(duì)單片機(jī)的寄存器控制器進(jìn)行初始化,，顯示開機(jī)界面，點(diǎn)擊開始測(cè)試,，打開中斷,，A/D采集和定時(shí)器開始工作，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到,，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序,，進(jìn)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(shè)計(jì)

　　程序編寫的部分主要是將各個(gè)模塊程序進(jìn)行調(diào)用和數(shù)據(jù)處理，主程序模塊一般先進(jìn)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(shè)計(jì)

　　定時(shí)器確定模擬量的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，定時(shí)中斷時(shí),，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(dòng)A/D,。當(dāng)然,，如果讀到新的數(shù)據(jù)，主程序通過一個(gè)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)位可得知,。這個(gè)程序模塊是基于中斷服務(wù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的,。相應(yīng)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(shè)計(jì)效果,，要把硬件和軟件調(diào)試結(jié)合起來,，對(duì)于不同的硬件部分則應(yīng)該用不同的程序模塊進(jìn)行調(diào)試。軟件調(diào)試涉及電壓轉(zhuǎn)換為風(fēng)速的算法，可以把測(cè)得的實(shí)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(gè)系統(tǒng)的軟件和硬件能夠正常運(yùn)行,。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　從表1可知,，熱式風(fēng)速傳感器測(cè)得的風(fēng)速與實(shí)際的有明顯的誤差,，但根據(jù)風(fēng)杯風(fēng)速傳感器計(jì)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(shí)際風(fēng)速,。總的來說是滿足設(shè)計(jì)要求的,。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的熱式風(fēng)速傳感器系統(tǒng)的主控單片機(jī)選用的是MSP430F149,，通過MSP430單片機(jī)的一個(gè)片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換通道與外部采集傳感器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,，再由MSP430單片機(jī)對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，通過液晶顯示出風(fēng)速值。系統(tǒng)精度高,，穩(wěn)定性好,，系統(tǒng)顯示友好。該設(shè)備功耗低,，電路簡(jiǎn)單易懂,，便于擴(kuò)展發(fā)揮，具有良好的應(yīng)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 梁嫁怡.超聲波二維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),，2013.

　　[2] 任保宏，徐科軍.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2014.

　　[3] 沈建華,，楊艷琴.MSP430系列16位超低單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

　　[4] 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2004.

　　[5] 龍興波,，黃敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2014,，33（3）：18-20.

　　[6] MAKINWA K A， SZEKELY V,， HUIJSING J H. Modeling and simulation of thermal sigma-delta modulators[J]. IMTC2002,， 2002（1）：261-264.

　　[7] MARQUES L,，TOMASZEWSKI G，ANIBAL T.de Almeida. Switch thermal anemometer[C]. IMTC2008IEEE International Instrumentation and Measure. Merit Technology Conference,， Victor,， 2008： 1783-1786.

　　[8] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理—理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2003.

　　[9] 鄧彥松,，楊勇,，單玉華.過采樣Delta-Sigma調(diào)制器原理及實(shí)現(xiàn)[J].中國集成電路,，2004，61（6）：43-47.

　　[10] 中國氣象局,，JJG（氣象）004-2011.自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢定規(guī)程[S].2011.

　　[11] 張建敏,，呂文華.氣象計(jì)量測(cè)試指南[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.