基于MSP430的热式风速传感器设计

黄 敏，卢会国，王保强，卢 勇（成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225）

基于MSP430的热式风速传感器设计

黄 敏，卢会国，王保强，卢 勇
（成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225）

基于热扩散原理设计了一款热式风速传感器，它是以Flow Sens FS5为感应元件，将其接入传感器电路之中，通过模拟采集电路转换为电压信号。将电压信号经差动放大电路放大之后，再经过信号滤波电路进行滤波，使电压的幅值比较稳定。最后由MSP430F149单片机的A/D定时采集电压信号，单片机处理采集数据并在液晶上显示风速值。

MSP430单片机；FS5感应元件；热式风速传感器；LCD

0 引言

在地面风的测量中，主要的测试手段为：机械式测量、热膜热线测量、激光测量、超声波测量等［1］。风的传感器种类很多，如旋转风杯风速计、热线风速传感器、激光风速仪、超声波风速传感器。热式风传感器因其响应时间短、测量部件小、抗冲击能力强而广泛应用于各行各业。

本文主要基于热扩散原理来设计热式风速传感器，采用热线为感应件达到测量风速的目的。即把热膜探头FS5接入传感器电路之中，再把气体流量信号转换为电压信号，经过差动放大电路把信号放大后送入MSP430F149单片机的一个12位AD通道；MSP430单片机再根据采集到的电压信号计算出相应的气体的流量即风速，最终显示在液晶显示器上。

1 总体设计及工作原理

本系统设计主要由微控制器MSP430F149单片机模块［2-5］、热式感应元件、模拟信号采集电路、信号放大电路、信号滤波电路、电源模块、LCD液晶显示等模块组成，如图1所示。

图1 系统总体结构图

热式风速传感器由模拟信号采集电路采集风速信号，再经由信号放大电路把信号进行放大，由信号滤波电路对电压进行滤波，使电压的幅值比较稳定，之后再由分压电路对前段的输出电压进行分压，使其小于3.3V，MSP430单片机的自带A/D采集电压值，CPU处理数据，最后在液晶上显示风速。

2 系统硬件设计

2.1 FS5感应元件

热式风速传感器是基于热扩散原理所设计的，气体流过发热物时，热损失与气流量的多少成一定比例，从而测量气流的大小。传感器部分有两个不同阻值的RTD，一个用来测量气体的温度，一个作为热源。当有气体流过时，它们之间的温差与风速成线性关系。其几何结构模型如图2所示。

图2 RTD几何结构模型

传感器的测量范围广，为0～0.1m/s～100m/s，具有体积小容易适应不同的应用或安置设备、信号的处理和校准简单、无机械移动部件重现性好、长期稳定性高、性价比高等特点。

2.2 模拟信号采集电路

热式风速传感器由FS5为感应元件，由于空气流动，带走热量，使得集成在FS5内的RH和RS的阻值变化，通过模拟采集电路转换为电压信号，采集的电压值也发生变化，再经由信号放大电路把信号进行放大，然后经MSP430单片机的A/D定时采集电压信号，单片机处理采集数据并在液晶上显示风速值。模拟信号采集电路如图3所示。

图3 模拟信号采集电路

2.3 放大电路

运放要考虑器件特性，避免开环增益过低或者不稳定，从而改变滤波器传输函数的性质。另外，有源器件不可避免会引入噪声，减低了信噪比，需要考虑运放的输入输出阻抗等参数。因此电路中选用TLV27L2高精密运放［6］，三极管选用BD237互补硅功率晶体管。差动放大电路具体电路如图4所示。

图4 差动放大电路

如果选用的R11、R12、R13和R14电阻值相等，那么它的放大倍数为1，输出电压V3=V2-V1［7］。差动放大电路常用于一般的放大电路中。

2.4 模拟信号滤波电路

典型的模拟滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器以及贝塞尔滤波器等［8］。但是在通带内巴特沃斯滤波器的幅频特性最为平坦，还有单调变化的优点［9］，模拟电路后端结构选用压控电压源型滤波电路，此电路所用的元件数目很少，对有源器件特性理想程度要求相对比较低，复杂度低，方便调理，广泛应用于很多电子设备。具体电路图如5所示。

图5 压控电压源型滤波电路

2.5 复位电路

在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以是R-C复位电路，也可以用复位芯片来实现复位电路。具体电路图如6所示。

图6 复位电路

本文设计选用R-C复位电路，比较经济。为减少输入电源纹波的干扰，在复位电路里加了一个104电容来实现滤波。

2.6 液晶显示

本设计中使用的LCD显示模块为12864液晶显示屏，除了用于显示当前风速和平均风速，还可以在液晶上的坐标轴上打点，显示一段时间的风速情况。

2.7 电源电路

模拟信号模块需要+12V供电，而MSP430F149控制芯片需要3.3V供电。+12V电压是外部输入，由电压转换芯片SPX1117M3-3.3转换输出3.3V，发光二级管是用来检测电源电路是否工作正常的。电源电路图如图7所示。

图7 电源电路

在电压的输出端的引脚增加了一个0.1μF的电容来实现滤波，以减少电源输入纹波对单片机的影响。单片机还有模拟输入端，因此用0Ω的电阻用来隔离数字地和模拟地，用电感来隔离数字电源和模拟电源，模拟电源输入端增加了一个滤波电容来减少干扰。

3 系统软件设计

3.1 总程序设计

系统的软件主要包括模拟量的采集模块、A/D模块、液晶显示模块和主处理模块。通电后，对单片机的寄存器控制器进行初始化，显示开机界面，点击开始测试，打开中断，A/D采集和定时器开始工作，当定时时间到，程序进入中断服务程序，进入数据的采集处理阶段，然后在液晶上显示，然后循环执行采集、处理、显示程序。具体流程图如图8所示。

图8 程序总设计流程图

3.2 主处理模块软件设计

程序编写的部分主要是将各个模块程序进行调用和数据处理，主程序模块一般先进行必要的初始化程序，然后打开中断，循环处理数据的采集、换算和显示。具体流程图如图9所示。

图9 主处理程序流程图

3.3 AD转换软件设计

定时器确定模拟量的数据采集时间间隔，定时中断时，停止A/D转换，读取A/D所采集数据，完成数据读取后启动A/D。当然，如果读到新的数据，主程序通过一个设置的标准位可得知。这个程序模块是基于中断服务结构来实现的。相应的程序流程如图10所示。

图10 AD转换流程图

4 系统调试及其结果

为了得到整体设计效果，要把硬件和软件调试结合起来，对于不同的硬件部分则应该用不同的程序模块进行调试。软件调试涉及电压转换为风速的算法，可以把测得的实际值和换算后的电压值显示在液晶上，方便调试，查看效果直观。经过联合调试，整个系统的软件和硬件能够正常运行。表1为测试数据。

表1 测试数据m/s

从表1可知，热式风速传感器测得的风速与实际的有明显的误差，但根据风杯风速传感器计量性能要求［10-11］，其误差都在最大允许误差±（0.5+0.03v）m/s范围之内，其中v为实际风速。总的来说是满足设计要求的。

5 结论

本文设计的热式风速传感器系统的主控单片机选用的是MSP430F149，通过MSP430单片机的一个片内AD转换通道与外部采集传感器进行连接，实现数据采集功能，再由MSP430单片机对采集来的数据进行处理，通过液晶显示出风速值。系统精度高，稳定性好，系统显示友好。该设备功耗低，电路简单易懂，便于扩展发挥，具有良好的应用价值。

［1］梁嫁怡.超声波二维风速风向测量系统设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

［2］任保宏，徐科军.MSP430单片机原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［3］沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低单片机原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［4］魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［5］龙兴波，黄敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信号检测装置［J］.微型机与应用，2014，33（3）：18-20.

［6］MAKINWA K A，SZEKELY V，HUIJSING J H.Modeling and simulation ofthermalsigma-delta modulators［J］. IMTC2002，2002（1）：261-264.

［7］MARQUES L，TOMASZEWSKI G，ANIBAL T.de Almeida. Switch thermal anemometer［C］.IMTC2008IEEE International Instrumentation and Measure.Merit Technology Conference，Victor，2008：1783-1786.

［8］胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［9］邓彦松，杨勇，单玉华.过采样Delta-Sigma调制器原理及实现［J］.中国集成电路，2004，61（6）：43-47.

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［11］张建敏，吕文华.气象计量测试指南［M］.北京：中国质检出版社，2011.

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

黄敏，卢会国，王保强，等.基于MSP430的热式风速传感器设计［J］.微型机与应用，2015，34（20）：25-27.

2015-07-24）

黄敏（1989-），女，硕士研究生，主要研究方向：大气探测与计量检定。