雙Pt風(fēng)速傳感器設(shè)計

本文介紹了一種基于雙Pt的特種風(fēng)速傳感器的研究，傳感器以超低能耗MSP430單片機(jī)為主控處理器，完成對風(fēng)速信息進(jìn)行實時不間斷的觀測和顯示，顯示范圍0-20m/s。利用4個LED顯示管顯示出觀察的風(fēng)速值，精確度達(dá)到0.1m/s。而且對風(fēng)速超過標(biāo)準(zhǔn)值時能夠進(jìn)行閃光和聲音報警，并能夠?qū)L(fēng)速觀察信號通過短距離無線發(fā)送到上位終端。這種傳感器設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、靜態(tài)特性好、觀察精度高的優(yōu)勢，為今后其他功能的風(fēng)速傳感器提供理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】雙Pt 風(fēng)速 傳感器

本文設(shè)計了一種采用雙Pt薄膜電阻作為感應(yīng)器的風(fēng)速傳感器，將感應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)分析，用顯示管表示出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，并采用短距離無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或是終端。對于風(fēng)速超過標(biāo)準(zhǔn)的采樣信號進(jìn)行閃光和聲音報警，有效地觀測實時風(fēng)速的數(shù)值。傳感器采用了MSP430單片機(jī)可靠性高，觀測精度高，電路升級方便的特點，同時加裝了封閉的鋁制箱體，解決了風(fēng)速傳感器容易受到外界干擾的問題，能夠大規(guī)模投入市場推廣。

1 傳感器工作特點和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 雙Pt薄膜測量風(fēng)速工作特點

薄膜風(fēng)速測量的特點是基于無限長正方體在無限大流場中的能量交換理論，每段時間熱損耗平衡特點Q電=Q強(qiáng)+Q傳。Q強(qiáng)表示使用對流換能量，應(yīng)用公式如式（1）所示：

Q強(qiáng)=dhl（Tw-Tf） （1）

其中d為探測器直徑，l為探測器長度，h為探測器對流換能量系數(shù)，Tw為探測器工作時溫度，Tf為探測器溫度。在大多數(shù)測量環(huán)境中，敏感探測器與周圍環(huán)境的溫度差小于200℃，熱對流熱很小，薄膜探測器損失和交換熱量可以忽略不計，于是得到使用對流轉(zhuǎn)換的熱量應(yīng)該等于探測器單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換的焦耳熱。

系統(tǒng)通過采用雙Pt薄膜元件作為加熱探測器，通以較大的能量，利用其自身的傳遞效應(yīng)，雙Pt薄膜元件達(dá)到一定的工作溫度。在環(huán)境場中，薄膜的熱量轉(zhuǎn)化可表征實時風(fēng)速大小。熱量的轉(zhuǎn)換可以用電阻的大小反映出來，因此，可以把元件做成橋式結(jié)構(gòu)作為傳感器即可用元件的變化表征出風(fēng)速的變化。對采集到的風(fēng)速進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化，線性表示以及自動的線性反饋即可測出準(zhǔn)確可靠的風(fēng)速大小。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

雙Pt風(fēng)速傳感器由前端信號采集單元、LED表示單元、聲光報警單元、Wi-Fi無線傳輸單元、單片機(jī)（MCU）處理單元和電源單元以及嵌入式軟件單元組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 風(fēng)速信息采集模塊

傳感器內(nèi)部采用Pt100和Pt1000作為傳感器探頭的感應(yīng)元器件，分別安裝電橋的兩位置上，串聯(lián)感應(yīng)電阻。給它通以較大的電流利用其自身的能量交換效應(yīng)，使薄膜感應(yīng)器達(dá)到一定的工作條件，置于采樣風(fēng)場中，金屬電阻的能量損失可表征空氣交換的速度。通過信息采集單元把感應(yīng)器上電阻因風(fēng)速帶走的本部分能量而變化的信號收集采樣，傳到上位機(jī)中。除此之外，數(shù)據(jù)采集單元還設(shè)計了元器件保護(hù)裝置。采用5203三極管的開關(guān)特點對不采集信號的時間段對敏感單元斷電，用來保護(hù)敏感感應(yīng)器，延長使用壽命。

2.2 無線Wi-Fi傳送模塊

系統(tǒng)設(shè)置無線傳輸功能，加強(qiáng)傳感器和終端的聯(lián)系，有效地減少操作人員工作量。系統(tǒng)引進(jìn)IT公司的CC3000芯片，是一款自成體系的無線傳播方案能夠最大限度地降低對MCU軟件的占用。該芯片包含全部的TCP/IP通信單元和Wi-Fi驅(qū)動程序，與MSP430的接口連接如圖2所示。

3 測試與結(jié)果分析

傳感器裝置應(yīng)用氣象儀器研究所模擬風(fēng)洞進(jìn)行整體測試，模擬風(fēng)洞可提供0.2-60m/s的橫向風(fēng)速，能夠完成一般傳感器的采樣及風(fēng)速測試。分別用6臺傳感器置于模擬風(fēng)洞中，分別在六個固定點的風(fēng)速下進(jìn)行采樣和測試。然后改變模擬風(fēng)洞風(fēng)速，風(fēng)速每改變1m/s測量一次。測量出的采樣結(jié)果基本符合風(fēng)速特征的分布變化，經(jīng)線性化計算和采樣與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速相比誤差小于 1m/s，能適用于實際工作生產(chǎn)中。

4 結(jié)論

風(fēng)速傳感器面向的是實際工作生產(chǎn)。通過測試可以實現(xiàn)0-20m/s范圍內(nèi)的風(fēng)速采樣，其中3-9m/s之間主要呈線性分布，在0-3m/s和9-12m's的范圍內(nèi)需要進(jìn)行一定的線性反饋，可有效地降低誤差。經(jīng)測試結(jié)果顯示，采樣結(jié)果與實際結(jié)果相比誤差不大于0.1m's，符合采樣要求，適用于實際工作過程，也為風(fēng)速的采樣提供一種切實有效的新途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低能耗單片機(jī)工作原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]閉蔣峰，張凌濤.Wi-Fi技術(shù)在風(fēng)洞遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的工作原理[J].安全生產(chǎn)，2010.

作者簡介

李久超（1982-），男，吉林省長春市人。碩士學(xué)位。助教。研究方向為自動控制。

作者單位

陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校 吉林省長春市 130117