黃 敏，盧會國，王保強，盧 勇（成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225）

基于MSP430的熱式風速傳感器設計

黃 敏，盧會國，王保強，盧 勇
（成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225）

基于熱擴散原理設計了一款熱式風速傳感器，它是以Flow Sens FS5為感應元件，將其接入傳感器電路之中，通過模擬采集電路轉換為電壓信號。將電壓信號經差動放大電路放大之后，再經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)并在液晶上顯示風速值。

MSP430單片機；FS5感應元件；熱式風速傳感器；LCD

0 引言

在地面風的測量中，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］。風的傳感器種類很多，如旋轉風杯風速計、熱線風速傳感器、激光風速儀、超聲波風速傳感器。熱式風傳感器因其響應時間短、測量部件小、抗沖擊能力強而廣泛應用于各行各業(yè)。

本文主要基于熱擴散原理來設計熱式風速傳感器，采用熱線為感應件達到測量風速的目的。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換為電壓信號，經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的氣體的流量即風速，最終顯示在液晶顯示器上。

1 總體設計及工作原理

本系統(tǒng)設計主要由微控制器MSP430F149單片機模塊［2-5］、熱式感應元件、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。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

熱式風速傳感器由模擬信號采集電路采集風速信號，再經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3.3V，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速。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 FS5感應元件

熱式風速傳感器是基于熱擴散原理所設計的，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。當有氣體流過時，它們之間的溫差與風速成線性關系。其幾何結構模型如圖2所示。

圖2 RTD幾何結構模型

傳感器的測量范圍廣，為0～0.1m/s～100m/s，具有體積小容易適應不同的應用或安置設備、信號的處理和校準簡單、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

熱式風速傳感器由FS5為感應元件，由于空氣流動，帶走熱量，使得集成在FS5內的RH和RS的阻值變化，通過模擬采集電路轉換為電壓信號，采集的電壓值也發(fā)生變化，再經由信號放大電路把信號進行放大，然后經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)并在液晶上顯示風速值。模擬信號采集電路如圖3所示。

圖3 模擬信號采集電路

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。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。

圖4 差動放大電路

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］。但是在通帶內巴特沃斯濾波器的幅頻特性最為平坦，還有單調變化的優(yōu)點［9］，模擬電路后端結構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，復雜度低，方便調理，廣泛應用于很多電子設備。具體電路圖如5所示。

圖5 壓控電壓源型濾波電路

2.5 復位電路

在單片機系統(tǒng)里，單片機需要復位電路，復位電路可以是R-C復位電路，也可以用復位芯片來實現(xiàn)復位電路。具體電路圖如6所示。

圖6 復位電路

本文設計選用R-C復位電路，比較經濟。為減少輸入電源紋波的干擾，在復位電路里加了一個104電容來實現(xiàn)濾波。

2.6 液晶顯示

本設計中使用的LCD顯示模塊為12864液晶顯示屏，除了用于顯示當前風速和平均風速，還可以在液晶上的坐標軸上打點，顯示一段時間的風速情況。

2.7 電源電路

模擬信號模塊需要+12V供電，而MSP430F149控制芯片需要3.3V供電。+12V電壓是外部輸入，由電壓轉換芯片SPX1117M3-3.3轉換輸出3.3V，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。

圖7 電源電路

在電壓的輸出端的引腳增加了一個0.1μF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0Ω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)軟件設計

3.1 總程序設計

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，當定時時間到，程序進入中斷服務程序，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。

圖8 程序總設計流程圖

3.2 主處理模塊軟件設計

程序編寫的部分主要是將各個模塊程序進行調用和數(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。

圖9 主處理程序流程圖

3.3 AD轉換軟件設計

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。當然，如果讀到新的數(shù)據(jù)，主程序通過一個設置的標準位可得知。這個程序模塊是基于中斷服務結構來實現(xiàn)的。相應的程序流程如圖10所示。

圖10 AD轉換流程圖

4 系統(tǒng)調試及其結果

為了得到整體設計效果，要把硬件和軟件調試結合起來，對于不同的硬件部分則應該用不同的程序模塊進行調試。軟件調試涉及電壓轉換為風速的算法，可以把測得的實際值和換算后的電壓值顯示在液晶上，方便調試，查看效果直觀。經過聯(lián)合調試，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)。

表1 測試數(shù)據(jù)m/s

從表1可知，熱式風速傳感器測得的風速與實際的有明顯的誤差，但根據(jù)風杯風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+0.03v）m/s范圍之內，其中v為實際風速?？偟膩碚f是滿足設計要求的。

5 結論

本文設計的熱式風速傳感器系統(tǒng)的主控單片機選用的是MSP430F149，通過MSP430單片機的一個片內AD轉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，通過液晶顯示出風速值。系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)顯示友好。該設備功耗低，電路簡單易懂，便于擴展發(fā)揮，具有良好的應用價值。

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The designed of thermal wind sensor based on MSP430

Huang Min，Lu Huiguo，Wang Baoqiang，Lu Yong
（Electronic Engineering College，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

The thermal wind sensor is designed based on thermal diffusion theory in this paper.It takes Flow Sens FS5 as the sensing element.Put it to the sensor circuit and convert it into voltage signal through analog acquisition circuit.After amplifying the voltage signal through the differential amplifier circuit，the voltage signal is filtered and the amplitude of the voltage is relatively stable.Finally the MSP430F149 micro-controller A/D regularly acquires voltage signal，the micro-controller processes the data acquired data，and the data is displayed on the LCD.

MSP430；FS5；thermal wind sensor；LCD

P414.7；TP212

A

1674-7720（2015）20-0025-03

黃敏，盧會國，王保強，等.基于MSP430的熱式風速傳感器設計［J］.微型機與應用，2015，34（20）：25-27.

2015-07-24）

黃敏（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：大氣探測與計量檢定。