风速传感器电路图 基于MSP430的热式风速传感器设计

基于MSP430的热式风速传感器设计

0 引言

在地面风的测量中，主要的测试手段为：机械式测量、热膜热线测量、激光测量、超声波测量等[1]。风的传感器种类很多，如旋转风杯风速计、热线风速传感器、激光风速仪、超声波风速传感器。热式风传感器因其响应时间短、测量部件小、抗冲击能力强而广泛应用于各行各业。

本文主要基于热扩散原理来设计热式风速传感器，采用热线为感应件达到测量风速的目的。即把热膜探头FS5接入传感器电路之中，再把气体流量信号转换为电压信号，经过差动放大电路把信号放大后送入MSP430F149单片机的一个12位AD通道；MSP430单片机再根据采集到的电压信号计算出相应的气体的流量即风速，最终显示在液晶显示器上。

1 总体设计及工作原理

本系统设计主要由微控制器MSP430F149单片机模块[2-5]、热式感应元件、模拟信号采集电路、信号放大电路、信号滤波电路、电源模块、LCD液晶显示等模块组成，如图1所示。

热式风速传感器由模拟信号采集电路采集风速信号，再经由信号放大电路把信号进行放大，由信号滤波电路对电压进行滤波，使电压的幅值比较稳定，之后再由分压电路对前段的输出电压进行分压，使其小于 3.3 V，MSP430单片机的自带A/D采集电压值，CPU处理数据，最后在液晶上显示风速。

2 系统硬件设计

2.1 FS5感应元件

热式风速传感器是基于热扩散原理所设计的，气体流过发热物时，热损失与气流量的多少成一定比例，从而测量气流的大小。传感器部分有两个不同阻值的RTD，一个用来测量气体的温度，一个作为热源。当有气体流过时，它们之间的温差与风速成线性关系。其几何结构模型如图2所示。

传感器的测量范围广，为0~0.1 m/s~100 m/s，具有体积小容易适应不同的应用或安置设备、信号的处理和校准简单、无机械移动部件重现性好、长期稳定性高、性价比高等特点。

2.2 模拟信号采集电路

热式风速传感器由FS5为感应元件，由于空气流动，带走热量，使得集成在FS5内的RH和RS的阻值变化，通过模拟采集电路转换为电压信号，采集的电压值也发生变化，再经由信号放大电路把信号进行放大，然后经MSP430单片机的A/D定时采集电压信号，单片机处理采集数据并在液晶上显示风速值。模拟信号采集电路如图3所示。

2.3 放大电路

运放要考虑器件特性，避免开环增益过低或者不稳定，从而改变滤波器传输函数的性质。另外，有源器件不可避免会引入噪声，减低了信噪比，需要考虑运放的输入输出阻抗等参数。因此电路中选用TLV27L2高精密运放[6]，三极管选用BD237互补硅功率晶体管。差动放大电路具体电路如图4所示。

如果选用的R11、R12、R13和R14电阻值相等，那么它的放大倍数为1，输出电压V3=V2-V1[7]。差动放大电路常用于一般的放大电路中。

2.4 模拟信号滤波电路

典型的模拟滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器以及贝塞尔滤波器等[8]。但是在通带内巴特沃斯滤波器的幅频特性最为平坦，还有单调变化的优点[9]，模拟电路后端结构选用压控电压源型滤波电路，此电路所用的元件数目很少，对有源器件特性理想程度要求相对比较低，复杂度低，方便调理，广泛应用于很多电子设备。具体电路图如5所示。

2.5 复位电路

在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以是R-C复位电路，也可以用复位芯片来实现复位电路。具体电路图如6所示。

本文设计选用R-C复位电路，比较经济。为减少输入电源纹波的干扰，在复位电路里加了一个104电容来实现滤波。

2.6 液晶显示

本设计中使用的LCD显示模块为12864液晶显示屏，除了用于显示当前风速和平均风速，还可以在液晶上的坐标轴上打点，显示一段时间的风速情况。

2.7 电源电路

模拟信号模块需要+12 V供电，而MSP430F149控制芯片需要3.3 V供电。+12 V电压是外部输入，由电压转换芯片SPX1117M3-3.3转换输出3.3 V，发光二级管是用来检测电源电路是否工作正常的。电源电路图如图7所示。

在电压的输出端的引脚增加了一个0.1

的电容来实现滤波，以减少电源输入纹波对单片机的影响。单片机还有模拟输入端，因此用0

的电阻用来隔离数字地和模拟地，用电感来隔离数字电源和模拟电源，模拟电源输入端增加了一个滤波电容来减少干扰。

3 系统软件设计

3.1 总程序设计

系统的软件主要包括模拟量的采集模块、A/D模块、液晶显示模块和主处理模块。通电后，对单片机的寄存器控制器进行初始化，显示开机界面，点击开始测试，打开中断，A/D采集和定时器开始工作，当定时时间到，程序进入中断服务程序，进入数据的采集处理阶段，然后在液晶上显示，然后循环执行采集、处理、显示程序。具体流程图如图8所示。

3.2 主处理模块软件设计

程序编写的部分主要是将各个模块程序进行调用和数据处理，主程序模块一般先进行必要的初始化程序，然后打开中断，循环处理数据的采集、换算和显示。具体流程图如图9所示。

3.3 AD转换软件设计

定时器确定模拟量的数据采集时间间隔，定时中断时，停止A/D转换，读取A/D所采集数据，完成数据读取后启动A/D。当然，如果读到新的数据，主程序通过一个设置的标准位可得知。这个程序模块是基于中断服务结构来实现的。相应的程序流程如图10所示。

4 系统调试及其结果

为了得到整体设计效果，要把硬件和软件调试结合起来，对于不同的硬件部分则应该用不同的程序模块进行调试。软件调试涉及电压转换为风速的算法，可以把测得的实际值和换算后的电压值显示在液晶上，方便调试，查看效果直观。经过联合调试，整个系统的软件和硬件能够正常运行。表1为测试数据。

从表1可知，热式风速传感器测得的风速与实际的有明显的误差，但根据风杯风速传感器计量性能要求[10-11]，其误差都在最大允许误差±（0.5+0.03 v）m/s范围之内，其中v为实际风速。总的来说是满足设计要求的。

5 结论

本文设计的热式风速传感器系统的主控单片机选用的是MSP430F149，通过MSP430单片机的一个片内AD转换通道与外部采集传感器进行连接，实现数据采集功能，再由MSP430单片机对采集来的数据进行处理，通过液晶显示出风速值。系统精度高，稳定性好，系统显示友好。该设备功耗低，电路简单易懂，便于扩展发挥，具有良好的应用价值。

参考文献

[1] 梁嫁怡.超声波二维风速风向测量系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[2] 任保宏，徐科军.MSP430单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[5] 龙兴波，黄敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信号检测装置[J].微型机与应用，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] 胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社，2003.

[9] 邓彦松，杨勇，单玉华.过采样Delta-Sigma调制器原理及实现[J].中国集成电路，2004，61（6）：43-47.

[10] 中国气象局，JJG（气象）004-2011.自动气象站风向风速传感器检定规程[S].2011.

[11] 张建敏，吕文华.气象计量测试指南[M].北京：中国质检出版社，2011.

风速传感器原理知多少

你了解风速传感器的原理吗?本文为您介绍风速传感器的原理，希望对您有所帮助。

1.风速传感器原理--简介

风速传感器主要采用的是优质铝合金型材，在表面进行电镀喷塑处理，它具有良好的防侵蚀，抗腐蚀特点，可以有效的保证长期使用的仪表不起锈，同时配合内部顺滑的轴承系统一起使用，确保了采集信息的准确性。风速传感器是一种使用方便，性能好，可靠性高的智能仪器仪表，可以广泛的用于测量温室，环保，气象站以及养殖等场所风速。

2.风速传感器原理--分类

风速传感器有很多种分类，主要可以分为皮托管式风速传感器、螺旋桨风速传感器、霍耳效应电磁风速传感器、热线式风速传感器以及超声波式风速传感器等。

接下来小编会对超声波式风速传感器和螺旋桨风速传感器两种进行简单的介绍，快来学习一下吧

3.风速传感器原理--超声波式风速传感器

超声波风速传感器主要是利用超声波时差法来实现风速的测量，声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快;反之，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。

4.风速传感器原理--螺旋桨风速传感器

螺旋桨风速传感器主要是由螺旋桨叶片、传感器轴、传感器支架以及磁感应线圈等组成。它利用的是流动空气的动能来推动传感器的螺旋桨旋转,然后通过螺旋桨的转速求出流过末端装置的空气流速。

相关问答

风速传感器还是有不错的发展前景的,因为一次次的矿难让国家在采矿和生产方面更加注重“安全”,而风速传感器是一种通风安全参数测量的重要仪表。风速传感器立...

轨道上安装风速传感器,通常是为了保证大风情况下轨道和车辆的安全。一旦测得风速超过安全极限,应限制或停止车辆运行。如果是过山车轨道,通常应该安装在最高...

v=q/st常用的测定管道内风速的方法分为间接式和直读式两类。(一)间接式先测得管内某点动压pd,可以计算出该点的流速v。用各点测得的动压取均方根,可以计算...

[回答]风速仪的探头选择0至100m/s的流速丈量范围可以分为三个区段:低速:0至5m/s;中速:5至40m/s;高速:40至100m/s。风速仪的热敏式探头用于0至5m/s的精确...

[回答]风速计是上海佑利测试设备测量空气流速的仪器。它的种类较多,气象台站最常用的为风杯风速计,它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部...

风速传感器的感应元件是三风杯组件,由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时,通过活轴转杯在狭缝光耦中的转...

原理是通过实验室送风量与排风量之间保持一定的风量差(称为余风量),保证实验室内外产生一定的压差。由风量传感器实时监控送排风值,利用控制器(如DDC等)对房间...

如下:1.可能是风速传感器故障:风速传感器可能损坏或出现接触不良等问题,导致显示不正确。解决方法是检查并更换风速传感器。2.可能是控制面板故障:控制面板...

您好,风速仪的安装方法如下:1.选择合适的位置:选择一个没有遮挡物的开阔区域,远离高建筑物、树木、墙壁等可能会干扰风速测量的物体。2.准备安装支架:根...

主通风机风速负压传感器应该安装在通风管道的合适位置上,以确保能够准确测量通风系统的风速和负压。一般来说,传感器应该被安装在通风系统的主风机处,这样可以...