摘  要： 基于熱擴散原理設(shè)計了一款熱式風(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。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(fēng)速值。

　　關(guān)鍵詞： MSP430單片機；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(fēng)的傳感器種類很多，如旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯風(fēng)速計、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)時間短、測量部件小、抗沖擊能力強而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

　　本文主要基于熱擴散原理來設(shè)計熱式風(fēng)速傳感器，采用熱線為感應(yīng)件達到測量風(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(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)計及工作原理

　　本系統(tǒng)設(shè)計主要由微控制器MSP430F149單片機模塊[2-5]、熱式感應(yīng)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(fēng)速傳感器由模擬信號采集電路采集風(fēng)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(fēng)速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 FS5感應(yīng)元件

　　熱式風(fēng)速傳感器是基于熱擴散原理所設(shè)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(dāng)有氣體流過時，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、信號的處理和校準(zhǔn)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(fēng)速傳感器由FS5為感應(yīng)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(fēng)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(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

　　在單片機系統(tǒng)里，單片機需要復(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)位芯片來實現(xiàn)復(fù)位電路。具體電路圖如6所示。

　　本文設(shè)計選用R-C復(fù)位電路，比較經(jīng)濟。為減少輸入電源紋波的干擾，在復(fù)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(shè)計中使用的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，顯示一段時間的風(fēng)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(shè)計

　　3.1 總程序設(shè)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(dāng)定時時間到，程序進入中斷服務(wù)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(shè)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(shè)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(dāng)然，如果讀到新的數(shù)據(jù)，主程序通過一個設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)位可得知。這個程序模塊是基于中斷服務(wù)結(jié)構(gòu)來實現(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(yīng)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(fēng)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(fēng)速傳感器測得的風(fēng)速與實際的有明顯的誤差，但根據(jù)風(fēng)杯風(fēng)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(fēng)速。總的來說是滿足設(shè)計要求的。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計的熱式風(fēng)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(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，電路簡單易懂，便于擴展發(fā)揮，具有良好的應(yīng)用價值。

參考文獻

　　[1] 梁嫁怡.超聲波二維風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)設(shè)計[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位超低單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

　　[4] 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[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的微弱信號檢測裝置[J].微型機與應(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)字信號處理—理論、算法與實現(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.氣象計量測試指南[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.