双Pt风速传感器设计

本文介绍了一种基于双Pt的特种风速传感器的研究，传感器以超低能耗MSP430单片机为主控处理器，完成对风速信息进行实时不间断的观测和显示，显示范围0-20m/s。利用4个LED显示管显示出观察的风速值，精确度达到0.1m/s。而且对风速超过标准值时能够进行闪光和声音报警，并能够将风速观察信号通过短距离无线发送到上位终端。这种传感器设计具有结构简单、静态特性好、观察精度高的优势，为今后其他功能的风速传感器提供理论指导。

【关键词】双Pt 风速 传感器

本文设计了一种采用双Pt薄膜电阻作为感应器的风速传感器，将感应的风速数据传至单片机分析，用显示管表示出标准风速，并采用短距离无线传输到上位机或是终端。对于风速超过标准的采样信号进行闪光和声音报警，有效地观测实时风速的数值。传感器采用了MSP430单片机可靠性高，观测精度高，电路升级方便的特点，同时加装了封闭的铝制箱体，解决了风速传感器容易受到外界干扰的问题，能够大规模投入市场推广。

1 传感器工作特点和系统结构

1.1 双Pt薄膜测量风速工作特点

薄膜风速测量的特点是基于无限长正方体在无限大流场中的能量交换理论，每段时间热损耗平衡特点Q电=Q强+Q传。Q强表示使用对流换能量，应用公式如式（1）所示：

Q強=dhl（Tw-Tf） （1）

其中d为探测器直径，l为探测器长度，h为探测器对流换能量系数，Tw为探测器工作时温度，Tf为探测器温度。在大多数测量环境中，敏感探测器与周围环境的温度差小于200℃，热对流热很小，薄膜探测器损失和交换热量可以忽略不计，于是得到使用对流转换的热量应该等于探测器单位时间内转换的焦耳热。

系统通过采用双Pt薄膜元件作为加热探测器，通以较大的能量，利用其自身的传递效应，双Pt薄膜元件达到一定的工作温度。在环境场中，薄膜的热量转化可表征实时风速大小。热量的转换可以用电阻的大小反映出来，因此，可以把元件做成桥式结构作为传感器即可用元件的变化表征出风速的变化。对采集到的风速进行数学模型化，线性表示以及自动的线性反馈即可测出准确可靠的风速大小。

1.2 系统结构框图

双Pt风速传感器由前端信号采集单元、LED表示单元、声光报警单元、Wi-Fi无线传输单元、单片机（MCU）处理单元和电源单元以及嵌入式软件单元组成，系统框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 风速信息采集模块

传感器内部采用Pt100和Pt1000作为传感器探头的感应元器件，分别安装电桥的两位置上，串联感应电阻。给它通以较大的电流利用其自身的能量交换效应，使薄膜感应器达到一定的工作条件，置于采样风场中，金属电阻的能量损失可表征空气交换的速度。通过信息采集单元把感应器上电阻因风速带走的本部分能量而变化的信号收集采样，传到上位机中。除此之外，数据采集单元还设计了元器件保护装置。采用5203三极管的开关特点对不采集信号的时间段对敏感单元断电，用来保护敏感感应器，延长使用寿命。

2.2 无线Wi-Fi传送模块

系统设置无线传输功能，加强传感器和终端的联系，有效地减少操作人员工作量。系统引进IT公司的CC3000芯片，是一款自成体系的无线传播方案能够最大限度地降低对MCU软件的占用。该芯片包含全部的TCP/IP通信单元和Wi-Fi驱动程序，与MSP430的接口连接如图2所示。

3 测试与结果分析

传感器装置应用气象仪器研究所模拟风洞进行整体测试，模拟风洞可提供0.2-60m/s的横向风速，能够完成一般传感器的采样及风速测试。分别用6台传感器置于模拟风洞中，分别在六个固定点的风速下进行采样和测试。然后改变模拟风洞风速，风速每改变1m/s测量一次。测量出的采样结果基本符合风速特征的分布变化，经线性化计算和采样与标准风速相比误差小于 1m/s，能适用于实际工作生产中。

4 结论

风速传感器面向的是实际工作生产。通过测试可以实现0-20m/s范围内的风速采样，其中3-9m/s之间主要呈线性分布，在0-3m/s和9-12m"s的范围内需要进行一定的线性反馈，可有效地降低误差。经测试结果显示，采样结果与实际结果相比误差不大于0.1m"s，符合采样要求，适用于实际工作过程，也为风速的采样提供一种切实有效的新途径。

参考文献

[1]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低能耗单片机工作原理[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]闭蒋峰，张凌涛.Wi-Fi技术在风洞远程监控系统中的工作原理[J].安全生产，2010.

作者简介

李久超（1982-），男，吉林省长春市人。硕士学位。助教。研究方向为自动控制。

作者单位

陆军装甲兵学院士官学校 吉林省长春市 130117