基于MSP430单片机的热线式风速测量系统的设计

基于MSP430单片机的热线式风速测量系统的设计秦香丽，祖静，裴东兴，靳鸿（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室）中图分类号:TP212.6，文献标识码:B（本论文受仪器科学与动态测试教育部重点实验室横风气象传感器项目资助）摘 要：构建了基于MSP430单片机的风速测量系统，重点探讨了能产生PWM 的单片机在热线风速仪中的应用，采用PWM（脉宽调制）给热线供电，并利用PWM 的占空比变化来调整平衡热线温度。

系统采用恒温差方式实现对加热器的控制。

此测量系统利用MSP430单片机内部的12位ADC 完成了其中的模数转换部分，文中对系统的软、硬件设计作了详细的介绍。

通过利用此系统测量实际风速，所得的测试结果表明,设计满足实际风速的测量要求。

关键词：MSP430单片机；脉宽调制；热线；恒温差；The Design of Hot Wired Wind Velocity Measurement System Based on Msp430 McuQIN xiangli ，ZU-jing ，PEI dongxing ，JIN-hong（Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement(North Universityof China),Ministry of Education ）Abstract ：This paper constructs a Wind Velocity Measurement System based on Msp430 mcu, and mainly probes into the application of PWM to the hot wired wind velocity measurement system. This system uses PWM to supply power for hot wire and regulate the hot wire’s temperature according to the changement of the dutyfactor of PWM , and adopts the principle of the constant difference in temperature to complete the controllment to the heater. This Measurement System completes analog-to-digital conversion depanding on the internal 12-bits ADC of Msp430 mcu. The hardware and software of the system are presented in detail in the paper.We use it to measure the actal wind velocity and the aquired results indicate that the design satisfies the reqirement of the actual wind velocity measurement.Keywords ：MSP430 mcu ；Pulse-Wideth-Module ；hot wire ；constant difference in temperature;风速仪在日常生活中具有非常广泛的用途,一直是国内外设计的热点。

热线风速仪是人们研究的热点之一，其是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝来测量风速的仪器。

在金属丝中通上加热电流，当风速变化时, 金属丝的温度就随风速改变而改变, 从而引起金属丝阻值的改变，最终引起金属丝上电信号的改变，这种改变是一一对应的关系，因此通过预先的校准过程, 测量该电信号的变化就可以得到实际流场的速度大小。

本设计基于MSP430单片机来建立热线式风速测量系统，利用其内部能够产生PWM 波和具有12位精度的AD 进行设计。

1、风速测量原理及系统结构1.1风速测量原理热线风速仪是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的。

如果流过热线的电流为I ，热线的电阻为R ，则热线产生的热量设为：2*1Q I R =；当热线探头置于流场中时，流体对热线有冷却作用，设热线的对流热耗散为2Q ，则根据著名的King 公式可得：0.5(*)*2Q A B V t ∆=+，其中A 、B 为常数，V 为风速，t ∆为热线温度与环境温度的温差[1]。

根据热平衡原理可得：12Q Q =。

设对热线的供电方式为脉冲宽度调制(PWM--Pulse Width Modulation)方式，当处于热平衡时PWM 的占空比为K ，则20.5**(*)*K I R A B V t ∆=+ (1)本系统采用恒温差原理进行设计，式中的I 、R 、A 、B 、t ∆均设定为恒定不变的量，所以，通过调节脉冲宽度调制(PWM)的占空比K 就可适应不同的风速V ，使V 和K 之间建立一一对应的关系。

根据(1)式可推得下式来计算风速：()0.5()()1010/V V K K K K i i −−= (2)式中0K 为零风速时的PWM 的占空比，1K 是风速为1V 时的PWM 的占空比，i K 是风速为i V 时的PWM 的占空比，其中0K 、1K 、1V 可预先给出，则当风速为未知时，只需测出i K ，即可由(2)式得出对应的i V 。

1V 和i V 均为垂直于热线的风速。

1.2系统工作原理测量电路以MSP430单片机[2] [3]作为控制的核心，以恒温差原理进行设计，如图1所示，恒温差的实现原理如下：当环境温度不变时，在热线R1和地之间连接一低温漂电阻Ri ，保持加在热线R1和低温漂电阻Ri 上的PWM 的幅值U0恒定不变，采样低温漂电阻上的PWM 幅值Ui ，设无风时给热线通电时热丝阻值为R1，当由于风速的变化引起热线阻值的变化时，Ui 将相应增大或者减小，根据Ui 的变化单片机调整PWM 的占空比K 。

若热线阻值减小，则增加K ，即增加加热热线的时间，从而使热线温度升高，阻值增加，从而使热线阻值回到R1。

相反则减小K 值。

本设计中热线采用铂丝，当环境温度改变时，铂丝阻值随温度变化的规律有以下公式： 1()100*[*]w R R t t β−=+ (3)式中t0为铂丝未通电时测电阻时的温度，R0为温度为t0时铂丝的阻值，tw 为环境温度，β为铂丝温度系数，当环境温度发生改变时，首先由单片机根据tw 计算出此环境温度下的R1，然后由R1计算出规定温差△t 下的阻值,再将此阻值作为铂丝处于流场中时的设定值即可实现温差保持在△t 。

图12、系统硬件介绍本系统采用单片机作控制芯片来实现风速测量的智能控制。

单片机采用MSP430F147作整个系统的控制中心，MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，具有16位RISC 结构和丰富的寻址方式，同时集成了较丰富的片内外设。

本系统就是利用其内部自带的12位ADC [3]实现模拟信号的采集，最高转换速率可达382ksps ，能满足大多数数据采集的应用；并且其内部的16位的定时器可发出最多8路PWM 信号。

整个系统主要由数据采集模块、PWM 波形放大和稳压模块以及数据传输模块组成，下面将分别介绍这几个模块。

2.1数据采集模块此模块主要是采集加在低温漂电阻上的电压，其中模数转换部分采用单片机内部的ADC ，这样既可简化电路，又能提高系统的可靠性，采样频率设为1KHZ 。

而且设定在PWM 波的上升沿采样，然后根据ADC 转换结果调整PWM 的占空比，以达到实时控制的目的。

2.2 PWM 波放大稳压模块单片机的工作电压是3.3V ，因此产生幅值为3.3V 的PWM 波，由于单片机产生的PWM带负载的能力小，后续电路需要对此信号进行功率放大；而且此系统对加在热膜传感器上的电压的变化非常敏感，电压的变化会直接影响测量结果，产生错误的测量，因此在PWM从单片机出来经过功率放大后，一定要进行稳压处理，然后才能加到热线传感器上。

2.3数据传输模块单片机与计算机的数据通信采用RS232串口协议，进行实时传输，异步串口传输只需3根线，接口简单。

当需要显示风速时，计算机通过串口给单片机发送命令，单片机检测到发送的命令后，就将此时PWM的占空比代入计算风速的拟合公式(4)的近似式(4)’中，计算出当前占空比所对应的风速，并将此风速值由串口输出并显示出来。

3、系统软件介绍本系统采用PWM的供电方式，PWM是由单片机产生的。

MSP430单片机内部的Timer A有3个捕获/比较寄存器（CCR0、CCR1、CCR2），能产生定时脉冲或PWM信号，而且没有软件带来的误差。

利用Timer A生成的PWM能用软件任意改变占空比和周期。

当PWM 不需改变占空比和周期时，Timer A能自动输出PWM，而且不需利用中断维持PWM的输出。

单片机的程序主要是通过采集到的低温漂电阻上的电压值，来相应的改变PWM波的占空比，使热丝始终处于恒温差的状态。

单片机根据PWM的占空比，利用拟合公式(4)的近似式(4)’，计算出风速；当需要显示风速值时，就将所得的风速值送出。

图2是主程序的流程图[4]。

响应PWM上升沿的中断服务子程序，主要完成低温漂电阻Ri 上的电压Ui的采集，然后将ADC的转换结果与恒温差原理下的理想值进行比较，根据比较结果相应地改变PWM 的占空比，当查询到传输标志时，就将此时占空比带入拟合曲线的近似式(4)’中，计算出该占空比所对应的风速值，并将此风速由串口传输给计算机，其流程图如图3所示。

图2 图34、试验数据及结果分析此处仅给出一组实验测得的风速与PWM的占空比相对应的数据，数据如表1所示。

表1实际风速Vi 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 占空比 Ki 333 826 1063 1238 1355 1475 1583 1681 1772 1851 1931 由表1可得图4所示的拟合曲线：0.50351.0276*y x =； (4)其中，()()010/K K K K i y −−=，/1V V i x =，3330K =，8261K =，2/1V =米秒。

根据（2）式可得到（4）式的近似式为： 0.51.0276*y x =；…………………………… (4)’下面提供一组用本系统实际测量风速时所获得的试验数据，如表2 所示。

表2实际风速（m/s ）2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 系统测得风速（m/s ） 1.89 4.15 6.38 8.1410.1612.1814.1616.1417.96 19.90误差 -0.11 0.15 0.38 0.140.16 0.18 0.16 0.14 -0.04 -0.10由表2可见，在0~20 m/s 范围内，最大的误差为0. 38 m/s ，满足系统设计的要求，且该系统可测量更大范围的风速（由于风洞实验条件所限，更大风速的实验没有做）。