基于MSP430F147单片机的热线风速仪测量系统

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    The Design of Hot Wired Wind Velocity Measurement System Based on Msp430 Mcu
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；
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

   

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图1
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2、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 上的电压 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。
  


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4、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



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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）。表2中第一行为实际风速，第二行是由本系统利用拟合后的公式(4)的近似式(4)’给出的风速值。
5、结束语
本系统主要基于MSP430设计出了热线风速仪测量系统，利用此单片机产生的PWM波给热线供电，同时利用其提供的AD功能进行采样，这种供电和采样方式大大简化了电路设计，并能使测量结果达到较高的精度，为系统进行扩展提供了极好的条件。实验结果证明，此系统具有较好的适用性和一定的先进性。
本文作者创新点：
1、利用此单片机产生的PWM波给热线供电。
2、利用单片机内部提供的AD功能进行采样。
参考文献：
[1] 盛森芝，徐月亭，袁辉靖.近十年来流动测量技术的新发展.力学与实践，2002（5）：1"14
[2] 沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社，2004：1"285
[3] Texas Instruments Incorporated. Msp430x1xx Family User’s Guide. http://www.msp430.com, 2003
[4] 刘玉宏. MSP430单片机C语言和汇编语言混合编程. 微计算机信息（测控自动化） 2003，19(10)
第一作者简介：秦香丽，女，1982年8月，汉族，现为中北大学电子工程系在读硕士研究生，研究方向为动态测试。
祖 静，1933年4月出生，男，教授，博士生导师，教育部重点实验室学术委员会主任，恶劣环境动态参数测试理论与技术方向带头人，享受国家政府特殊津贴，曾荣山西省科技功臣、兵器工业总公司劳动模范等称号，并于1997年获国家"光华"奖。
通信地址：山西省太原中北大学信息与通信工程学院电子工程系智能一实验室
邮编：030051
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