[摘要]本文利用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速的測量，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且精度和靈敏度高，可靠性高，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取材方便，并且可以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，從而達(dá)到實(shí)際應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]溫度傳感器 風(fēng)速檢測 風(fēng)速傳感器

風(fēng)速檢測在環(huán)保氣象、工業(yè)設(shè)備、采礦安全、衛(wèi)生保健等諸多領(lǐng)域都具有十分重要的意義。隨著我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展、檢測技術(shù)的進(jìn)步以及人們對環(huán)境要求的提高，人們對檢測儀器測量精度和功能的要求越來越高。本文根據(jù)教學(xué)需要，開發(fā)出了教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的風(fēng)速測量系統(tǒng)，采用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行風(fēng)速測量，原理簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，并且與單片機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、記錄打印、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、風(fēng)速報(bào)警等諸多功能，靈敏度高，響應(yīng)速度快，能夠很好地滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要，并且可以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，從而向?qū)嶋H應(yīng)用推廣。

一、風(fēng)速傳感器

風(fēng)速傳感器是用于測量空氣流動(dòng)速度的傳感器。本文所設(shè)計(jì)的是基于熱電偶溫度傳感器的風(fēng)速傳感器，它利用溫度傳感器的自身發(fā)熱為其提供工作環(huán)境溫度，而風(fēng)流使熱電偶的工作環(huán)境溫度下降，導(dǎo)致輸出端熱電勢發(fā)生變化。熱電勢的變化值是風(fēng)速的函數(shù)，因此，我們可以通過測量熱電勢的變化值計(jì)算出此時(shí)的風(fēng)速。

我們可以通過查表的方法根據(jù)某時(shí)刻熱電勢的值直接得出對應(yīng)的風(fēng)速值，這種方法比較準(zhǔn)確，可以快速地得出風(fēng)速值，但是，需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫，精度越高，需要的數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)越大又會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間減慢，從而影響風(fēng)速傳感器的綜合性能。為此，我們在滿足精度要求的情況下，建立熱電勢與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系式。由大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，風(fēng)速的對數(shù)值與熱電勢近似成線性關(guān)系。如圖1所示。為了提高測量精度，我們采用參考文獻(xiàn)1中介紹的分段插值計(jì)算的方法，即先將曲線分段，用一個(gè)函數(shù)擬合，然后根據(jù)所測的熱電勢的值判斷它屬于曲線的哪一段，從而用該段的插值公式計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)速值。

二、風(fēng)速檢測電路

風(fēng)速輸出信號(hào)為交變正弦模擬信號(hào)，一般情況下在0-10V左右，輸出信號(hào)首先通過交流濾波電路，然后，經(jīng)運(yùn)算放大器LM158放大，其放大倍數(shù)可根據(jù)每個(gè)熱電偶的靈敏度進(jìn)行調(diào)整，再經(jīng)限幅電路、光耦隔離電路后，最后，通過施密特整形電路4098整形為單片機(jī)能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)的脈沖量，接入單片機(jī)的計(jì)數(shù)口。風(fēng)速信號(hào)通過上述轉(zhuǎn)換經(jīng)過單片機(jī)采樣、計(jì)算、存儲(chǔ)等數(shù)字處理，并通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口可隨時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的各種查詢輸出要求。

三、數(shù)據(jù)處理電路

處理電路的核心是單片機(jī)電路，本系統(tǒng)由80C51單片機(jī)，12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574， RAM6264及可編程并行I/O接口芯片Intel8255，顯示電路，實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1287，微型打印機(jī)接口等部件。80C51單片機(jī)是TQFP封裝或LQFP封裝，所以體積非常小。且內(nèi)部有程序存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換、電壓基準(zhǔn)、看門狗、復(fù)位電路等許多外設(shè)，省去了許多外圍電路的空間和多余的功耗。80C51單片機(jī)承受的溫度范圍為：-45℃～+85℃，適合在野外工作。80C51單片機(jī)為3V供電，其本身為低功耗芯片。而且內(nèi)部不用的外設(shè)可以關(guān)閉，這大大降低了系統(tǒng)功耗。另外，80C51單片機(jī)可以設(shè)置為等待或停機(jī)等方式。因此，完全可以滿足本系統(tǒng)的低功耗要求。

數(shù)據(jù)進(jìn)入80C51后，80C51首先發(fā)出使AD574為數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的命令(即使CE=1、CS=0、R/C=1)，當(dāng)80C51通過由P2口擴(kuò)展的I/O口尋址8255，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀入8255的C口和A口，經(jīng)加工處理后被測風(fēng)速被存儲(chǔ)并送LED顯示，或打印記錄。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用了美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。上電時(shí)，單片機(jī)從DS1287中讀取現(xiàn)在的時(shí)間，由于有內(nèi)置電池，DS1287一直在運(yùn)行，保持時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間一致，當(dāng)停電以后重新來電，可保持當(dāng)前時(shí)間不發(fā)生改變。DS1287內(nèi)部有一個(gè)128字節(jié)的RAM，用于設(shè)置寄存器和當(dāng)前時(shí)間的實(shí)時(shí)更新。同時(shí)，當(dāng)外部電源電壓低于3V時(shí)可自動(dòng)切斷外部電源改由內(nèi)部自帶的鋰離子電池供電。在內(nèi)部鋰離子電池供電的情況下，時(shí)鐘仍然正常工作，并保證內(nèi)部128字節(jié)RAM的內(nèi)容在10年內(nèi)不會(huì)丟失。

顯示部分由單片機(jī)和4個(gè)數(shù)碼管以及一片MAX7219組成。MAX7219是八位串行共陰LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路。它可以在單片機(jī)三個(gè)I/O口的控制下完成對八位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動(dòng)，線路連接簡單、控制方便，外圍電路僅需一個(gè)電阻設(shè)定峰值段電流。MAX7219有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)40mA。此外，還可以通過軟件的方式改變其顯示亮度。更值得一提的是，該芯片還支持低功耗狀態(tài)，在關(guān)閉狀態(tài)下仍然可以在單片機(jī)的控制下接收數(shù)據(jù)或者更改控制方式，此時(shí)的芯片耗電僅為150uA。本電路中單片機(jī)使用P3.7、P3.6、P3.5三個(gè)引腳控制MAX7219．MAX7219外接四個(gè)共陰LED數(shù)碼管用于顯示時(shí)間。

本系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)打印功能，打印機(jī)讀入鎖存選通信號(hào)STB是靠P2.5—P2.7擴(kuò)展口地址(LS138-Y3)來控制的，聯(lián)絡(luò)信號(hào)BUSY、ACK及ERR分別連到P1口的P1.0～P1.2三條線上，8751采用查尋方式進(jìn)行管理。

為了防止由于程序跑飛和電源故障引起的工作不正常，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了看門狗電路。該電路可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；提供手動(dòng)復(fù)位輸入端；電源失效或低電壓告警；獨(dú)立的1.6s看門狗定時(shí)為等功能。在上電期間，當(dāng)電源電壓超過復(fù)位門限后，電路產(chǎn)生一個(gè)至少140ms的復(fù)位脈沖；當(dāng)?shù)綦娀螂娫床▌?dòng)下降到低于復(fù)位門限1.25V后也可以產(chǎn)生復(fù)位脈沖，確保任何情況下系統(tǒng)均能正常工作。當(dāng)程序跑飛時(shí)，監(jiān)控端輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，并保持?40ms以上，使其產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，同時(shí)看門狗定時(shí)器清“0”。

四、軟件編程

軟件編程主要有兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是對單片機(jī)完成初始化并實(shí)現(xiàn)要求的工作目標(biāo)，另一個(gè)是完成DS1287的控制寄存器初始化。

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)首先要完成各個(gè)模塊的初始化，初始化完成后單片機(jī)隨即按照用戶的要求工作。本系統(tǒng)需要初始化的模塊主要有系統(tǒng)時(shí)鐘頻率初始化、A/D采樣模塊初始化和I/O端口初始化。如果單片機(jī)受到嚴(yán)重的干擾而使系統(tǒng)無法正常工作，需要單片機(jī)立刻復(fù)位以免燒壞系統(tǒng)硬件，為了達(dá)到這個(gè)目的，我們在RAM 區(qū)中選擇幾個(gè)固定單元，在初始化程序中將其設(shè)置成固定的數(shù)據(jù)，如“55H”或“0AAH”等，只要程序正常運(yùn)行，這些單元的內(nèi)容是不會(huì)改變的。

完成了初始化后就要編寫相應(yīng)的控制程序。控制程序的工作流程主要如下：單片機(jī)控制模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)調(diào)用風(fēng)速計(jì)算子程序進(jìn)行風(fēng)速的計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果送入RAM單元，可以調(diào)用查詢子程序，查詢歷史數(shù)據(jù)；調(diào)用顯示顯示子程序，實(shí)時(shí)輸出計(jì)算結(jié)果；當(dāng)風(fēng)速超過一定的限值時(shí)，調(diào)用報(bào)警子程序，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速報(bào)警；調(diào)用打印子程序，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打印。

五、軟件抗干擾設(shè)計(jì)

定時(shí)器的所使用的單片機(jī)一旦受到外界干擾導(dǎo)致程序跑飛將會(huì)出現(xiàn)各種不良后果。單片機(jī)要有良好的抗干擾能力，并且要有很好的穩(wěn)定性。硬件系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的根本，經(jīng)常采用的方法有：改善系統(tǒng)的布局、布線，采用光電耦合器以提高強(qiáng)電與弱電的隔離度；在電源變壓器的初級(jí)增加濾波器；增加“硬件看門狗”等等。硬件抗干擾設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了硬件成本，而軟件抗干擾設(shè)計(jì)在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，不提高硬件成本的前提下，同樣可以在很大程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本程序的軟件結(jié)構(gòu)是由一個(gè)上電復(fù)位初始化程序、一個(gè)主循環(huán)程序、兩個(gè)中斷服務(wù)程序組成，在單片機(jī)的RAM區(qū)中設(shè)立一個(gè)位尋址區(qū)，在位尋址區(qū)中設(shè)立一些標(biāo)志位，這些標(biāo)志位分別代表不同的程序模塊，一個(gè)字節(jié)可以對應(yīng)8個(gè)程序模塊。當(dāng)某個(gè)程序模塊正在執(zhí)行時(shí)，對應(yīng)的標(biāo)志位置1，不執(zhí)行時(shí)對應(yīng)的標(biāo)志位置0，就可以知道當(dāng)前正在執(zhí)行的程序是哪一個(gè)模塊，當(dāng)標(biāo)志位的值與正在執(zhí)行的程序模塊不一致時(shí)，我們可以肯定程序出現(xiàn)了“跑飛”，需要盡快進(jìn)行錯(cuò)誤處理，通過進(jìn)一步的檢查還可以知道程序是從哪個(gè)模塊“飛”過來的。當(dāng)檢測到程序跑飛后系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位中斷，程序回到初始化狀態(tài)從新開始執(zhí)行。用此種辦法可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

六、結(jié)束語

本系統(tǒng)利用熱電偶溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速測量，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，且靈敏度高，響應(yīng)速度快，可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛應(yīng)用。除教學(xué)使用外，由于其輸出信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)，也可以與計(jì)算機(jī)或其他儀器連接使用，進(jìn)一步完善后，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化并得以向?qū)嶋H應(yīng)用推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王旭東，邵惠鶴.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用軟測量技術(shù)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1998，24(5).

[2]洪水棕.現(xiàn)代測試技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，2002.

[3]黃賢武，鄭筱霞，曲波.傳感器實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[J].成都:電子科技大學(xué)出版社，1996.

（作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。