摘 要： 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，單片機處理采集數據并在液晶上顯示風速值。
關鍵詞： 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。
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。
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處理數據，最后在液晶上顯示風速。
2 系統硬件設計
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。
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性好、長期穩定性高、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，單片機處理采集數據并在液晶上顯示風速值。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，避免開環增益過低或者不穩定，從而改變濾波器傳輸函數的性質。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。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。
2.5 復位電路
在單片機系統里，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復位電路。具體電路圖如6所示。
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+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，由電壓轉換芯片SPX1117M3-3.3轉換輸出3.3 V，發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 
的電阻用來隔離數字地和模擬地，用電感來隔離數字電源和模擬電源，模擬電源輸入端增加了一個濾波電容來減少干擾。
3 系統軟件設計
3.1 總程序設計
系統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，進入數據的采集處理階段，然后在液晶上顯示，然后循環執行采集、處理、顯示程序。具體流程圖如圖8所示。
3.2 主處理模塊軟件設計
程序編寫的部分主要是將各個模塊程序進行調用和數據處理，主程序模塊一般先進行必要的初始化程序，然后打開中斷，循環處理數據的采集、換算和顯示。具體流程圖如圖9所示。
3.3 AD轉換軟件設計
定時器確定模擬量的數據采集時間間隔，定時中斷時，停止A/D轉換，讀取A/D所采集數據，完成數據讀取后啟動A/D。當然，如果讀到新的數據，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的。相應的程序流程如圖10所示。
4 系統調試及其結果
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。經過聯合調試，整個系統的軟件和硬件能夠正常運行。表1為測試數據。
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+0.03 v）m/s范圍之內，其中v為實際風速。總的來說是滿足設計要求的。
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，實現數據采集功能，再由MSP430單片機對采集來的數據進行處理，通過液晶顯示出風速值。系統精度高，穩定性好，系統顯示友好。該設備功耗低，電路簡單易懂，便于擴展發揮，具有良好的應用價值。
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