雙Pt風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)

1、    雙pt風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)    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(duì)風(fēng)速信息進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷的觀測(cè)和顯示，顯示范圍0-20m/s。利用4個(gè)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(duì)風(fēng)速超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)能夠進(jìn)行閃光和聲音報(bào)警，并能夠?qū)L(fēng)速觀察信號(hào)通過(guò)短距離無(wú)線發(fā)送到上位終端。這種傳感器設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靜態(tài)特性好、觀察精度高的優(yōu)勢(shì)，為今后其他功能的風(fēng)速傳感器提供理論指導(dǎo)?！娟P(guān)鍵詞】雙pt 風(fēng)速 傳感器本文設(shè)計(jì)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

2、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(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或是終端。對(duì)于風(fēng)速超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的采樣信號(hào)進(jìn)行閃光和聲音報(bào)警，有效地觀測(cè)實(shí)時(shí)風(fēng)速的數(shù)值。傳感器采用了msp430單片機(jī)可靠性高，觀測(cè)精度高，電路升級(jí)方便的特點(diǎn)，同時(shí)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(wèn)題，能夠大規(guī)模投入市場(chǎng)推廣。1 傳感器工作特點(diǎn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1 雙pt薄膜測(cè)量風(fēng)速工作特點(diǎn)薄膜風(fēng)速測(cè)量的特點(diǎn)是基于無(wú)限長(zhǎng)正方體在無(wú)限大流場(chǎng)中的能量交換理論，每段時(shí)間熱損耗平衡特點(diǎn)q電=q強(qiáng)+q傳。q強(qiáng)表示使用對(duì)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(cè)器直徑，l為探測(cè)器長(zhǎng)度，h為

3、探測(cè)器對(duì)流換能量系數(shù)，tw為探測(cè)器工作時(shí)溫度，tf為探測(cè)器溫度。在大多數(shù)測(cè)量環(huán)境中，敏感探測(cè)器與周圍環(huán)境的溫度差小于200，熱對(duì)流熱很小，薄膜探測(cè)器損失和交換熱量可以忽略不計(jì)，于是得到使用對(duì)流轉(zhuǎn)換的熱量應(yīng)該等于探測(cè)器單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換的焦耳熱。系統(tǒng)通過(guò)采用雙pt薄膜元件作為加熱探測(cè)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(chǎng)中，薄膜的熱量轉(zhuǎn)化可表征實(shí)時(shí)風(fēng)速大小。熱量的轉(zhuǎn)換可以用電阻的大小反映出來(lái)，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(duì)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(dòng)的線性反饋即可測(cè)出準(zhǔn)確可靠的風(fēng)速大小。1.2

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖雙pt風(fēng)速傳感器由前端信號(hào)采集單元、led表示單元、聲光報(bào)警單元、wi-fi無(wú)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(jì)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(chǎng)中，金屬電阻的能量損失可表征空氣交換的速度。通過(guò)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(hào)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(jì)了元器件保護(hù)裝置。采用520

5、3三極管的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)對(duì)不采集信號(hào)的時(shí)間段對(duì)敏感單元斷電，用來(lái)保護(hù)敏感感應(yīng)器，延長(zhǎng)使用壽命。2.2 無(wú)線wi-fi傳送模塊系統(tǒng)設(shè)置無(wú)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(wú)線傳播方案能夠最大限度地降低對(duì)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(dòng)程序，與msp430的接口連接如圖2所示。3 測(cè)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(cè)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(cè)試。分別用6臺(tái)傳感器置于模擬風(fēng)洞中，分別在六個(gè)固定點(diǎn)的風(fēng)速下進(jìn)行采樣和

6、測(cè)試。然后改變模擬風(fēng)洞風(fēng)速，風(fēng)速每改變1m/s測(cè)量一次。測(cè)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(jì)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(shí)際工作生產(chǎn)中。4 結(jié)論風(fēng)速傳感器面向的是實(shí)際工作生產(chǎn)。通過(guò)測(cè)試可以實(shí)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(cè)試結(jié)果顯示，采樣結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相比誤差不大于0.1m's，符合采樣要求，適用于實(shí)際工作過(guò)程，也為風(fēng)速的采樣提供一種切實(shí)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