基于数字温度传感器的风速测量仪

　2005年第24卷第12期　　　　　　　　　　传感器技术(JournalofTransducerTechnology)

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基于数字温度传感器的风速测量仪

贺桂芳,张佰力

1

2

(1.山东交通学院信息工程系,山东济南250023;2.山东交通厅,山东济南250002)

摘　要:介绍了以温度传感器TMP04为检测器件的风速传感器的测量方法。系统以单片机AT89C51为

核心,由风速传感器采集数据,单片机接收并处理数据,LED数码管显示测量风速值。采用分段插值法进行非线性数据处理;描述了电路设计和软件实现。由于采用了数字温度传感器做检测器件,省去了放大电路和A/D转换器,测量电路与单片机接口简单,编程处理简单。关键词:传感器;风速测量;单片机;非线性校正中图分类号:TP212　　　文献标识码:B　　　文章编号:1000-9787(2005)12-0069-02

Windspeeddetectinganemoscopebasedondial

temperatureHEGui2fang,Z1

2

(1.DeptofInfoEngin,JiaiChina;

2.Jin250002,China)

ofwindspeedsensorisintroduced;itsdetectingpartistemperaturesensorTMP04.SinglechipprocessorAT89C51isthecoreinthesystem.Thedataaregainedbywindspeedsensor,andsinglechipprocessorprocessesit.LEDshowsthewindspeeddata.Thepiecewiseinterpolationisusedtodononlineardataprocessing.Thedesignofcircuitandtheapproachofsoftwarearedescribed.Becausedigitaltemperaturesensorisusedasdetectingpart,amplifierandA/Disomitted.Theinterfaceofmeasuringcircuitandsinglechipprocessorissimple,thesoftwareissimple.

Keywords:sensor;windspeeddetection;singlechipprocessor;non2linearitycompensation

0　引　言

的温度。A的温度与B的温度之差是风速的函数。因此,通过测量温差可以计算出对应的风速

。

随着检测技术的发展以及人们对环境要求的提高,传统的机械式风速仪已不能满足测量精度和功能的要求。研究微型化便于携带并能与计算机以及各种数字仪表配套使用的风速传感器是很必要的。采用数字温度传感器研制风速仪,省去放大电路和A/D转换器,电路结构简单、编程处理简单、体积小、重量轻、使用方便,输出电平与CMOS/TTL电路兼容,可用于远程风速检测。该数字风速仪的主要技术指标是:量程为0～26m/s,在0～10m/s范围内,准确度为±0.5%FS;在10～26m/s范围内,准确度为±1.5%FS;输出CMOS/TTL电平;温度范围为-25～100℃。

1　风速传感器的测量原理和非线性校正

图1　风速传感器及测量电路框图

Fig1　Blockdiagramofwindspeedsensorandmeasuringcircuit

　　根据热扩散原理,加热丝被空气带走的热量与加热丝和空气的温差、空气的流速以及空气的性质有关[1],即

Q=αF(Tw-Tf),

风速传感器及测量电路框图如图1所示。电路中,A有4个接线端子,1,2为加热铂金丝,2,3,4为温度传感器

TMP04。铂金丝通入恒定的加热电流,供给TMP04一个工

α为对流换热系数,对于一定的加热丝和流体条件,式中　

α主要取决于空气的运动速度,m/s;F为加热丝表面积,

m;Tw为加热丝温度,℃;Tf为空气温度,℃。由于采用恒

2

作环境温度。在测量风速时,风流使温度传感器的工作环境温度下降,3端输出相应的温度信号。B用于测量空气

收稿日期:2005-07-28

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传　感　器　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第24卷70

流源供电,根据能量守恒定律,有关系式

2

0.24IR=αF(Tw-Tf),

定,本设计选用了9015,其β约为150。

式中　I为加热丝电流,A;R为加热丝电阻,Ω。由此可见,只要固定I,便可以获得风速与温差的单值函数。

通过试验测出的风速与温差的关系曲线如图2所示,图中,风速采用了对数坐标。

图3　恒流源电路

Fig3　Circuitofconstantcurrentsource

2.2　温度传感器TMP04

TMP04是串行比率输出式数字温度传感器。其输出

为经过调制的串行数据,解码后,高低电平持续时间的比率

(T1/T2)与温度成比例关系。4所示,被测温

图2　风速与温差关系曲线

Fig2　Relationcurveofwindspeedandtemperaturedifference

[4]

=T12.

　　从图2的曲线形状可以看出:似呈线性关系。差ΔtΔt+blnυ=a

(1)

图4　TMP04的输出波形

Fig4　OutputwaveformofTMP04

式中　a,b为常数,对于曲线的不同段,a,b的值是不同的。为提高测量精度,采用分段插值计算的方法[2],求取任一温差所对应的风速值,具体方法如下:

在曲线上,均匀地选取30个采样点,将曲线分成

29段,精确测出每一点的(Δti,vi)值,利用相邻两点的坐标

　　单片机AT89C51内部有2个16位定时/计数器T0和

T1,分别用于测量高低电平持续的时间T1和T2。当输出

高电平(对应于T1)时,开启定时器T0进行记录;输出呈低电平(对应于T2)时,关闭定时器T0,开启定时器T1进行记录。

定时器T0中的T1值和定时器T1中的T2值,分别存入各自的专用寄存器,由软件根据上式计算出被测温度t。

传感器A和B的输出分别接至单片机的P1.0口和

P1.1口,由单片机的定时/计数器交替测量出A和B的T1

值可以求出该段曲线对应的ai,bi值。计算出的ai,bi值作为常数存放在ROM中,供计算风速时使用。第i段曲线计算风速的插值公式为

aΔit+biυ.i=e

(2)和T2,并计算出相应的温度tA和tB。最后,由软件根据温差Δt=tA-tB计算出风速值。

TMP04和测试系统公用一套+5V电源,为防止干扰,

实际工作中,根据所测的温差值判断它属于曲线的那一段,然后,用该段的插值公式计算出对应的风速值。

2　测量电路设计

提高测量系统的稳定性,在TMP04的　V+-GND之间并联了消噪电容器,C1采用10μF的钽电解电容器,C2选用0.1μF的陶瓷电容器。

3　软件设计

2.1　恒流源设计

恒流源电路如图3所示,输出电流为βI=2.5/R・.5/R,1β2/(1+β1β2)≈2

β式中　1和β2为2个三极管的电流放大倍数。LM336的基准电压为2.5V,选取不同的R值,即可得到不同的恒定电流I。本设计中,选取R=33Ω,可得输出电流I=75mA,实际工作中,R为30Ω的固定电阻器和一个10Ω微调电阻器串联,微调电阻器用于输出调零。在静止空气中,风速测量仪的输出应显示零,如果不为零,则可调节R使输出为零。运算放大选用了高输入阻抗运算放大器CA3140[3],三极管的电流放大倍数β越大,温漂系数越小,恒流值越稳

根据风速测量要求,系统以AT89C51单片机为核心,

89C51的内部具有4kBEEPROM,可满足数据存储和软件

的要求,不需外部扩展ROM。

程序开始完成各项初始化后,直接读取传感器A和B的输出数据,计算出温差,然后,根据温差判断属于特性曲线的那一段,取出预先存于ROM中的相应的ai,bi值,按照式(2)计算出风速值。测试结果由P0口输出LED的字段码,P2口用于扫描输出。

(下转第73页)

第12期　　　　　　　　　　　　　靖永志等:高速磁浮列车悬浮气隙测量系统的设计　　　　　　　　　　　　　　73

AD7470转换为10位数字信号,取高8位送入FPGA进行

3　结　论

处理。探头线圈的温度信号经AD7470转换为10位数字信号,取高8位送入FPGA进行处理。

2.2.2　FPGA部分

综上所述,对于长定子直线电机驱动的高速磁浮列车,采用特制的探头线圈,消除了定子轨道齿槽结构对探头线圈的影响,并对外界的电磁干扰起到了很好的抑制作用,利

信号处理系统以SPARTANⅡE系列的XC2S50E芯片为核心,其主要功能是对从A/D输出的气隙数据进行数字滤波[5]、数据非线性校正和温度补偿,得到与温度无关的、与气隙大小成线性关系的气隙数据。

查表法[6]是一种常用的非线性校正方法,预先通过试验校准,将传感器A/D采样的输入和实际的值比较,将结果存入存储器中,对应每一个输入相应查表得到一个输出。

[4]

用该探头线圈测量悬浮气隙大小的方案是可行的,所研制的基于电感式传感器和高速FPGA信号处理的悬浮气隙测量系统能够满足高速磁浮列车运行控制要求。参考文献:

[1]　吴祥明.磁浮列车[M].上海:上海科学技术出版社,2003.

17-18.

[2]　RamonPallàs2Areny,WebsterJG.张　伦(译).传感器和信号

2.3　RS485输出部分

间隙值与RS485输出数据的关系如图5所示。经FPGA信号处理部分得到的悬浮气隙数据通过RS485异步串行通信接口输出。选用SP3485EN芯片实现RS485

发送数据。

调节(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2003.184-189.

[3]　IndustrieT.Methodforreliabledeterminationofthedistanceof

theconductivereactiontrackfromafunctionalsurfaceofamag2neticlevitationvehiclemovingtothereactiontrackandasensorperforUnitedStates:5764050,--09.

[.[M].

:电子工业出版社,2004.22-26.

[5]　方彦军,孙　健.智能仪器技术及其应用[M].北京:化学工

业出版社,2004.257-266.

[6]　刘君华.智能传感器系统[M].西安:西安电子科技大学出版

社,2000.198-200.

作者简介:

图5　输出数据与气隙关系曲线

Fig5　Relationcurveofoutputdataandgap

靖永志(1979-),男,辽宁辽阳人,硕士,主要从事电力传动及其控制系统的研究。

(上接第70页)4　试验结果

5　结　论

本仪器采用数字温度传感器TMP04测量温度,省去了放大电路和A/D转换器,测量电路与单片机接口简单、编程处理简单。风速仪可用于通风设备出风口监测空气流速、矿井风速检测。与传统的机械式风速仪比较,响应快、性能稳定、可靠性高、测量风速范围较宽,特别对微风的测量更具有优越性。参考文献:

[1]　沈玉秀,唐祯安,张洪泉.热线式传感器的研究[J].传感器技

采用研制的风速仪进行风速的实际测量,在0～26m/s的宽测量范围内,具有较高的测量精度。测量数据如表1所示。分析测量结果,在0.1～10m/s范围内,准确度为

0.5%FS;在10～26m/s范围内,准确度为1.5%FS。

表1　风速测量数据

Tab1　Measuringdataofwindspeed

风速

(m/s)0.10.20.40.81.42.04.06.0

测量结果绝对误差

(m/s)0.10.20.40.81.42.04.05.9

(m/s)0.00.00.00.00.00.00.00.1

风速

(m/s)8.[**************]

测量结果绝对误差

(m/s)7.99.913.817.819.821.723.725.6

(m/s)0.10.10.20.20.20.30.30.4

术,2004,23(5):15-18.

[2]　贾伯年,俞　朴.传感器技术[M].南京:东南大学出版社,

2000.275-276.

[3]　翟玉文,艾学忠,杨　潇.实用恒流源电路设计[J].电子测量

技术,2002,21(5):25.

[4]　沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用[M].北京:机械

工业出版社,2002.130-141.

作者简介:

贺桂芳(1963-),女,山东日照人,副教授,硕士,主要从事传感器技术的教学和科研工作。