基于MSP430的熱式風(fēng)速傳感器設(shè)計

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

基于MSP430的熱式風(fēng)速傳感器設(shè)計

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

基于熱擴散原理設(shè)計了一款熱式風(fēng)速傳感器，它是以Flow Sens FS5為感應(yīng)元件，將其接入傳感器電路之中，通過模擬采集電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。將電壓信號經(jīng)差動放大電路放大之后，再經(jīng)過信號濾波電路進(jìn)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(fēng)速值。

MSP430單片機；FS5感應(yīng)元件；熱式風(fēng)速傳感器；LCD

0 引言

在地面風(fēng)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(fēng)的傳感器種類很多，如旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯風(fēng)速計、熱線風(fēng)速傳感器、激光風(fēng)速儀、超聲波風(fēng)速傳感器。熱式風(fēng)傳感器因其響應(yīng)時間短、測量部件小、抗沖擊能力強而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

本文主要基于熱擴散原理來設(shè)計熱式風(fēng)速傳感器，采用熱線為感應(yīng)件達(dá)到測量風(fēng)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(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)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(yīng)的氣體的流量即風(fēng)速，最終顯示在液晶顯示器上。

1 總體設(shè)計及工作原理

本系統(tǒng)設(shè)計主要由微控制器MSP430F149單片機模塊［2-5］、熱式感應(yīng)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(jié)構(gòu)圖

熱式風(fēng)速傳感器由模擬信號采集電路采集風(fēng)速信號，再經(jīng)由信號放大電路把信號進(jìn)行放大，由信號濾波電路對電壓進(jìn)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(jìn)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(fēng)速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 FS5感應(yīng)元件

熱式風(fēng)速傳感器是基于熱擴散原理所設(shè)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(dāng)有氣體流過時，它們之間的溫差與風(fēng)速成線性關(guān)系。其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 RTD幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)不同的應(yīng)用或安置設(shè)備、信號的處理和校準(zhǔn)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(fēng)速傳感器由FS5為感應(yīng)元件，由于空氣流動，帶走熱量，使得集成在FS5內(nèi)的RH和RS的阻值變化，通過模擬采集電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，采集的電壓值也發(fā)生變化，再經(jīng)由信號放大電路把信號進(jìn)行放大，然后經(jīng)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(fēng)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(zhì)。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(nèi)巴特沃斯濾波器的幅頻特性最為平坦，還有單調(diào)變化的優(yōu)點［9］，模擬電路后端結(jié)構(gòu)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(fù)雜度低，方便調(diào)理，廣泛應(yīng)用于很多電子設(shè)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(fù)位電路

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

圖6 復(fù)位電路

本文設(shè)計選用R-C復(fù)位電路，比較經(jīng)濟。為減少輸入電源紋波的干擾，在復(fù)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(shè)計中使用的LCD顯示模塊為12864液晶顯示屏，除了用于顯示當(dāng)前風(fēng)速和平均風(fēng)速，還可以在液晶上的坐標(biāo)軸上打點，顯示一段時間的風(fēng)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(zhuǎn)換芯片SPX1117M3-3.3轉(zhuǎn)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(shè)計

3.1 總程序設(shè)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(jìn)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(dāng)定時時間到，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)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(shè)計流程圖

3.2 主處理模塊軟件設(shè)計

程序編寫的部分主要是將各個模塊程序進(jìn)行調(diào)用和數(shù)據(jù)處理，主程序模塊一般先進(jìn)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(zhuǎn)換軟件設(shè)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(zhuǎn)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(dāng)然，如果讀到新的數(shù)據(jù)，主程序通過一個設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)位可得知。這個程序模塊是基于中斷服務(wù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。相應(yīng)的程序流程如圖10所示。

圖10 AD轉(zhuǎn)換流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試及其結(jié)果

為了得到整體設(shè)計效果，要把硬件和軟件調(diào)試結(jié)合起來，對于不同的硬件部分則應(yīng)該用不同的程序模塊進(jìn)行調(diào)試。軟件調(diào)試涉及電壓轉(zhuǎn)換為風(fēng)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(diào)試，查看效果直觀。經(jīng)過聯(lián)合調(diào)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(fēng)速傳感器測得的風(fēng)速與實際的有明顯的誤差，但根據(jù)風(fēng)杯風(fēng)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(nèi)，其中v為實際風(fēng)速。總的來說是滿足設(shè)計要求的。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的熱式風(fēng)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(nèi)AD轉(zhuǎn)換通道與外部采集傳感器進(jìn)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(jìn)行處理，通過液晶顯示出風(fēng)速值。系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，系統(tǒng)顯示友好。該設(shè)備功耗低，電路簡單易懂，便于擴展發(fā)揮，具有良好的應(yīng)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(fēng)速傳感器設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)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。