传感器系统综合设计.docx

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1、北京邮电大学传感器系统综合设计基于微控制器的风力风向传感器系统设计1、被测量分析风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。风是一个矢量，用风向和风速表示。地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。1805年英国人蒲福根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得下表。目测风时，根据风力等级

2、表中各级风的特征，即可估计出相应的风速。风力等级名称相当于开阔平坦地面10米高处风速浪高陆上物理征象米/秒公里/时海里/时（米）0静风0－0.2<1<1－静，烟直上。1软风0.3－1.51－51－30.1烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向。2轻风1.6－3.36－114－60.2人面感觉有风，树叶有微响，风向标能随风转动。3微风3.4－5.412－197－100.6树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。4和风5.5－7.920－2811－161.0灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。5清劲风8.0－10.729－3817－212.0有叶的小树枝摇动，内陆水

3、面有小波浪。6强风10.8－13.839－4922－273.0大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。7疾风13.9－17.150－6128－334.0全树摇动，逆风步行感到困难。8大风17.2－20.762－7434－405.5树枝折断，逆风行进阻力甚大。9烈风20.8－24.475－8841－477.0发生轻微的建筑破坏。10狂风24.5－28.489－10248－559.0内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏较重。11暴风28.5－32.6103－11756－6311.5极少遇到，伴随着广泛的破坏。12飓风32.71186414.02、

4、发展历史及其现状传统的测量方法主要用风杯来测量风速，用风向标测量风向。这些机械装置体积大、价格昂贵，且具有移动部件，维护不便。近20年来，微电子机械系统(MEMS)的发展为风速传感器的发展带来了新的突破口。基于微机械加工技术的热式风速传感器可以同时完成风速风向的测量，且具有精度高、体积小、功耗低、不易损坏等优点。随着微电子和微加工技术的不断进步，MEMS传感器根据摩尔定律按比例不断缩小。然而，由于热风速传感器结构的特殊性，将MEMS传感器与接口电路单片集成并不会显著降低整个测量系统的成本，而且需要较高的研发周期。3、传感器设计思路本传感器基于

5、SiliconLabs公司的增强型的5l系列单片机C8051F350微控制器的热风速风向传感器系统设计方案。在该测量系统中，采用恒温差控制模式，热温差工作原理进行测量。热式风传感器由于采用热原理进行检测，存在很大的温漂问题。为使测量系统能够在—40—60oC的宽温度变化范围内均能正常工作，本文在恒温差控制中采用了硬件与软件相结合的方式对系统进行了温度补偿。这样可以很好地抑制温漂，同时灵敏度和检测量程得到了优化。4、传感器的结构及工作原理说明4.1工作原理目前，热风速风向传感器工作原理主要包括热损失型和热温差型。热温差型的工作原理是检测由流体造

6、成芯片表面上、下游温度变化的差值来反应风速和风向。基于这种测量原理的风速计的特点在于能够同时测量风速和风向，其对小风速进行测量时具有较大的灵敏度，但在对高风速进行测量时，由于上游温度不可能比环境温度更低，而下游温度不可能比加热条温度更高，所以温度差δT会饱和，在测量风速的时候量程受限。如图1所示的二维热温差型风速计芯片，其横向尺寸为L，厚度为D。由于L>>D，陶瓷基板在厚度方面的温度梯度可以忽略。当风速为U时，流体感生的温度梯度δT分解成如下形式：δT∆T=FUG(ϕ)式中：FU为一维情况下，芯片的温度梯度关于风速的灵敏度函数，G(ϕ)为温度

7、梯度关于风向的灵敏度函数，∆T为芯片与环境之间的温度差，δT为芯片内部测温元件之间的温度梯度。在恒温平板近似情况下，可以得到风速和风向灵敏度的解析函数分别为：FU=δT∆T=ckaLkcD(L2μα)13UGϕ=cos(ϕ)式中：ka和kc，分别是空气和陶瓷基板的热导率，?和?分布为流体的黏度和热扩散率。由式可以看出，风速灵敏度与芯片的厚度和热导率成反比，而风向灵敏度近似为正弦函数。上式对风速风向传感器的设计提供了设计依据。在恒温差控制模式下，二维风速风向传感器的实现可以利用两组相互垂直放置的测温电阻构成惠斯通全桥来完成。在考虑传感器电学和热

8、学的失配时，惠斯通全桥的输出可以写成：VNS=ANS×cosϕ-ϕ0+aNSVEW=AEW×sinϕ-ϕ0+aEW式中：ANS和AEW分别为正弦和余弦曲线的幅值，a