风速传感器单片机 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.

科普：风速报警仪介绍、原理、应用

原文链接：http://whxph.com/?toutiao

风速报警仪是由智能测控主机、风速传感器和电缆线三部分组成。智能测控主机采用单片机及相应的外围电路模块组成，显示部分采用高亮数码管显示。采用高精度测量风速传感器，它与传统产品相比，具有精度高、量程宽、输入线电阻高、观测方便、稳定可靠等优点。

采用先进的电子技术、微电脑处理技术为一体，主机采用自主研发单片机主板及其配套的标准IO板卡，外加相应的信号调理模块，对数据采集级输出控制可灵活变更，低功耗，数字电路全部采用CMOS芯片，有断电记忆功能，可以长期连续工作，传输距离远，抗电磁干扰能力强等功能

显示功能，自动监测风速信号进行危机处理；在显示屏上显示风速或风力等级

报警功能，按下SET键，窗口显示风速报警控制值，加、减可以设置报警值，当超过预设风速时，发出控制命令，可进行声光报警。

.安装调试全部键盘操作，给用户更改起重机工况后调整带来极大方便，仪表顶部采用插入式接线，使用户接线更方便，防止错误接线，造成对主机的损害。

适用范围

风速测控仪是建筑建筑（起重机、履带吊、门吊、塔吊等）、铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖等领域用于测量风速和风力的装置。用它可以实现设备风速指示数字化及自动化，是相关设备不可缺少的风速检测设备

风速报警仪

产品简介：

风速报警仪由智能微处理器和高动态特性的测风传感器组成，可用来观测大气中的瞬时风速，并具有风速低于设定下限声光报警及一路双触点继电器开关量输出控制功能。显示屏采用高亮LED数码管，观察距离远，适合于光线较强的白天或夜间使用；面板的三个设定按键用来设定风速报警值，操作快捷方便。

仪器采用挂壁式防水箱体，安装方便，占用空间小，可靠性高，是大中型建筑塔机、起重机械、吊篮和索道缆车等操作安全保障不可缺少的风速检测仪器。

相关问答

[最佳回答]光电编码器和最简单的单片机如80C51就够了。

1、风向部分:由风向标、风向度盘(磁罗盘)等组成,风向示值由风向指针在风向度盘上的位置来确定。2、风速部分:采用传统的三环旋转架结构,仪器内的单片机对...

朋友们好,我是电子及工控技术,我来回答这个问题。变送器和传感器这两种仪器仪表在工业自动化控制领域中使用得非常广泛,我在工作中会经常接触到它们,下面我来...

智能手机的出现,除了数据网络、Wifi、蓝牙之外,诸如NFC等功能也在手机上普及。已逐渐被人淡忘、退出舞台的红外功能又获智能手机厂商的青睐,开始流行起来。那...

如若需要考虑节能,那么你还需要人体感应,季节感知,时间控制等等这些智能程序,那么就还需要加上单片机!就可以了!小马哥6861天前扩展回答1门窗自动开关机价...

[回答]并为整体实验室需要实现风速、气压、温度、湿度控制的环境提供全球领先的高质量控制系统。针对各种实验室提供一站式解决方案深圳新宸实验室系统工...

而电子式的温控开关则是通过热点偶、铂电阻等温度传感器,,将接收到的温度信号转化为电信号,在通过单片机、PLC这些电路继电器控制加热或者制冷设备...

算不上自动空调大部分是单片机,还算不上是嵌入式计算机。汽车自动空调基本结构及原理汽车自动空调系统由制冷系统,取暖系统、通风(配气)系统、自动控制系统...

1有人在做光控窗帘么或有认以前做过基于单片机的光控,红外遥控窗帘么可以帮你设计实物的~2电动卷帘门的遥控器是一对一的还是同一类型遥控器都可以开这一个...

[回答]。温湿度控制器是工业产品,工控行业的仪器仪表。主要看性能,价格是其次的。现在很多购买者多需要根据自己的实际操控,对温湿度控制器进行修改。温湿...