摘 要： 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。
关键词：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。
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 3.3 V，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。
传感器的测量范围广，为0~0.1 m/s~100 m/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。
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。
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。
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。
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+12 V供电，而MSP430F149控制芯片需要3.3 V供电。+12 V电压是外部输入，由电压转换芯片SPX1117M3-3.3转换输出3.3 V，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。
在电压的输出端的引脚增加了一个0.1
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0
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。
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。
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。
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。
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+0.03 v）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。
参考文献
[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 of thermal sigma-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.
[10] 中国气象局，JJG（气象）004-2011.自动气象站风向风速传感器检定规程[S].2011.
[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.