基于微控制器的風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于微控制器的風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)*張燕波，沈廣平，董自強(qiáng)，秦明，黃慶安 （東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210096）摘要：提出了一種基于惠斯通全橋電路的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。傳感器芯片結(jié)構(gòu)利用ANSYS軟件進(jìn)行了熱學(xué)和電學(xué)的耦合仿真，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。芯片采用剝離工藝在陶瓷襯底上加工而成，利用直接安裝技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行封裝。系統(tǒng)采用恒溫差工作原理進(jìn)行控制，熱溫差工作原理測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。系統(tǒng)中微控制器集成的電流型D/A對(duì)傳感器恒溫差控制模式的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化造成的輸出信號(hào)的漂移，使得系統(tǒng)的工作溫度擴(kuò)展到-4060 。熱溫差檢測(cè)模式利用位于片上的8個(gè)溫敏

2、元件構(gòu)成兩路惠斯通全橋電路連接，這種設(shè)計(jì)在保證靈敏度的同時(shí)提高了其測(cè)量范圍。本系統(tǒng)的微控制器集成了大量模擬和數(shù)字模塊，減少片外元件使用量，大幅縮小系統(tǒng)體積，同時(shí)能夠提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度及可靠性。通過風(fēng)洞測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠完成360風(fēng)向檢測(cè)，精度達(dá)到3，風(fēng)速的檢測(cè)范圍達(dá)到35 m/s。關(guān)鍵詞：MEMS；溫度補(bǔ)償；風(fēng)傳感器系統(tǒng)；智能傳感器系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TN36文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼：510.3030Design of wind sensor system based on microcontroller Zhang Yangbo, Shen Guangping, Dong Ziq

3、iang, Qin Ming, Huang Qingan(Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education, Southeast University, Nangjing 210096, China)Abstract：This paper proposed an thermal wind sensor system based on Wheatstone full bridge. The sensor structure was optimized by ANSYS software in thermal field and electri

4、cal field. The chip was fabricated on the ceramic substrate by lift off process, and packaged by the direct chip packaging technology. The constant temperature difference mode is used to control the wind sensor system, which the integrated current-type D/A is introduced to set the initial state of t

5、his mode and compensate the system fluctuation cased by the drift of ambient temperature, therefore the system working temperature extend from -40 to 60 . Calorimetric mode adopt eight temperature sensing elements to form two Wheatstone full bridges, so as to improve the testing range and signal sen

6、sitivity simultaneity. As the microcontroller integrates a large number of analog and digital components, the number of the off-chip components can be reduced, as well as the size of the system. Wind tunnel test results show that the wind sensor system can detect wind speed up to 35 m/s and wind dir

7、ection of 360, the wind direction error is 3.Key words：MEMS; temperature compensation; wind sensor system; smart sensor system1引言收稿日期：2009-01Received Date：2009-01 *基金項(xiàng)目：國(guó)家863項(xiàng)目（2007AA04Z306）資助風(fēng)速風(fēng)向是氣象資料中非常重要的部分，在氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制等方面有重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要用風(fēng)杯來(lái)測(cè)量風(fēng)速，用風(fēng)向標(biāo)測(cè)量風(fēng)向1。這些機(jī)械裝置體積大、價(jià)格昂貴，且具有移動(dòng)部件，維護(hù)不便。近20年來(lái)，微電子機(jī)械

8、系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展為風(fēng)速傳感器的發(fā)展帶來(lái)了新的突破口2?；谖C(jī)械加工技術(shù)的熱式風(fēng)速傳感器可以同時(shí)完成風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量，且具有精度高、體積小、功耗低、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子和微加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，MEMS傳感器根據(jù)摩爾定律按比例不斷縮小。然而，由于熱風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)的特殊性，將MEMS傳感器與接口電路單片集成并不會(huì)顯著降低整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的成本，而且需要較高的研發(fā)周期。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)的微型化和智能化，本文提出了一種基于Silicon Labs公司的增強(qiáng)型的51系列單片機(jī)C8051F350微控制器的熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為了簡(jiǎn)化封裝工藝，傳感器直接制作在陶瓷基底上，并將風(fēng)速傳感

9、器和信號(hào)處理電路集成于一體，直接得到數(shù)字化的輸出。在該測(cè)量系統(tǒng)中，采用恒溫差控制模式，熱溫差工作原理進(jìn)行測(cè)量。熱式風(fēng)傳感器由于采用熱原理進(jìn)行檢測(cè)，存在很大的溫漂問題。為使測(cè)量系統(tǒng)能夠在40 60 C的寬溫度變化范圍內(nèi)均能正常工作，本文在恒溫差控制中采用了硬件與軟件相結(jié)合的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和溫度補(bǔ)償，可以很好地抑制溫漂，同時(shí)靈敏度和檢測(cè)量程得到了優(yōu)化。2工作原理目前，熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器工作原理主要包括熱損失型和熱溫差型3。熱溫差型的工作原理是檢測(cè)由流體造成芯片表面上、下游溫度變化的差值來(lái)反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向。基于這種測(cè)量原理的風(fēng)速計(jì)的特點(diǎn)在于能夠同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，其

10、對(duì)小風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有較大的靈敏度，但在對(duì)高風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于上游溫度不可能比環(huán)境溫度更低，而下游溫度不可能比加熱條溫度更高，所以溫度差T會(huì)飽和，在測(cè)量風(fēng)速的時(shí)候量程受限4。如圖1所示的二維熱溫差型風(fēng)速計(jì)芯片，其橫向尺寸為L(zhǎng)，厚度為D。由于 LD, 陶瓷基板在厚度方面的溫度梯度可以忽略。當(dāng)風(fēng)速為U時(shí)，流體感生的溫度梯度分解成如下形式： (1)式中：F(U)為一維情況下，芯片的溫度梯度關(guān)于風(fēng)速的靈敏度函數(shù)，為溫度梯度關(guān)于風(fēng)向的靈敏度函數(shù)，為芯片與環(huán)境之間的溫度差，為芯片內(nèi)部測(cè)溫元件之間的溫度梯度。在恒溫平板近似情況下，可以得到風(fēng)速和風(fēng)向靈敏度的解析函數(shù)分別為5： (2) (3)式中:和分別是空

11、氣和陶瓷基板的熱導(dǎo)率，和分布為流體的黏度和熱擴(kuò)散率。由式可以看出，風(fēng)速靈敏度與芯片的厚度和熱導(dǎo)率成反比，而風(fēng)向靈敏度近似為正弦函數(shù)。上式對(duì)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。在恒溫差控制模式下，二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的實(shí)現(xiàn)可以利用兩組相互垂直放置的測(cè)溫電阻構(gòu)成惠斯通全橋來(lái)完成。在考慮傳感器電學(xué)和熱學(xué)的失配時(shí)，惠斯通全橋的輸出可以寫成6： (4)式中：和分別為正弦和余弦曲線的幅值，和分別為風(fēng)速信號(hào)的失調(diào)項(xiàng)，是風(fēng)向信號(hào)的失調(diào)項(xiàng)。下標(biāo)EW、NS分別代表垂直方向和水平方向。3傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)室前期研究的一種硅基熱電偶結(jié)構(gòu)7，由于硅襯底具有較大熱導(dǎo)率，大部分熱量通過硅襯底耗散掉，

12、其測(cè)量范圍和靈敏度有待提高；而另一種玻璃基底鉑電阻結(jié)構(gòu)8，具有較高的靈敏度，但芯片不易于封裝。為了簡(jiǎn)化封裝和提高靈敏度，本文在陶瓷基板上設(shè)計(jì)了一種如圖1所示結(jié)構(gòu)的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)在芯片中央集成了加熱電阻Rh和芯片測(cè)溫電阻Rs。兩者相互環(huán)繞，溫度可以視為相等，同時(shí)又可以保持電學(xué)特性的相互獨(dú)立，從而在恒溫差控制電路設(shè)計(jì)時(shí)具有更大的自由度9。圖1二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器示意圖Fig.1 The structure of 2-D wind sensor對(duì)于熱溫差測(cè)量，加熱電阻和測(cè)溫電阻之間的距離對(duì)傳感器的靈敏度和量程均有很大影響10。本文在距離加熱電阻不同位置上集成了兩組測(cè)溫電阻，并將兩組惠

13、斯通半橋反向相接，形成如圖2所示的全橋電路。如此設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度為半橋結(jié)構(gòu)的近2倍，而且還可以對(duì)傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖2二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器惠斯通全橋連接方式Fig.2 The circuit of 2-D wind sensor with Wheastone bridge3.2傳感器參數(shù)優(yōu)化傳感器的加熱電阻和測(cè)溫電阻之間的位置對(duì)傳感器性能有很大影響。對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)不同風(fēng)速風(fēng)向條件下對(duì)傳感器進(jìn)行熱域、流體域和電能域等多能域耦合模擬，從而得到芯片表面溫度場(chǎng)分布。圖3所示為本文提出的熱風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化ANSYS模型。其中，傳感器芯片尺寸為4 mm，陶瓷芯片和

14、空氣流動(dòng)的厚度分別為0.25 mm和0.5 mm。傳感器芯片中央的加熱電阻尺寸為0.5 mm，加熱電阻和測(cè)溫電阻之間的距離L從0.1 mm增加到0.5 mm。在ANSYS CFX中，空氣和芯片被定義液體和固體，而兩者之間的界面定義為流固界面（FSI）。氣體的性質(zhì)定義為不可壓縮流體，環(huán)境溫度設(shè)為27 。假定傳感器工作恒溫差方式下，將芯片加熱電阻溫度設(shè)為77 。一旦流入和流出的邊界條件設(shè)定，傳感器與表面氣體溫度分布就可以利用靜態(tài)仿真得到11。圖3熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器的ANSYS模型Fig.3 The ANSYS modle of wing sensor對(duì)傳感器表面的溫度分布進(jìn)行采樣分析，可以得到不同L

15、時(shí)芯片溫度差與風(fēng)速之間的關(guān)系。如圖4所示，隨著風(fēng)速的增加，芯片表面迎風(fēng)與背風(fēng)測(cè)溫電阻之間的溫度差增大，直至飽和。模擬結(jié)果表明，當(dāng)距離較小時(shí)，在低風(fēng)速情況下，傳感器可以得到較高的靈敏度，而量程受限。距離增大時(shí)，傳感器得到較大的量程。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如圖5所示的傳感器，其設(shè)計(jì)的兩組測(cè)溫電阻與加熱電阻之間的距離分別為0.1 mm和0.5 mm。圖4不同L時(shí)，傳感器芯片內(nèi)溫度差隨風(fēng)速變化曲線Fig.4 The relationship of temperature difference of the sensor chip change with wind speed under different

16、 L圖5優(yōu)化設(shè)計(jì)后的傳感器版圖Fig.5 The Optimized design of sensor layout4傳感器芯片的制備與封裝本傳感器采用兩步剝離工藝，在陶瓷基板上加工完成12。在室溫下，芯片加熱條Rh和測(cè)溫電阻Rs分別為400 和2 k。在25 C到60 C溫度范圍內(nèi)，測(cè)溫電阻的溫度系數(shù)為1 05010-3/。傳感器采用芯片直接安裝封裝方法13，在方形PCB封裝基板中心設(shè)計(jì)了一個(gè)大小為3.5 mm3.5 mm的方孔以露出芯片。為了減小引線鍵合難度，本文采用的PCB板為0.8 mm厚度的單層板，并在焊盤上鍍金。然后利用封接膠將陶瓷基板倒貼在PCB上。待封接膠完全固化后，利用引線鍵

17、合的方法完成芯片與電路間的電學(xué)互連。最后，利用低熱導(dǎo)率的包封樹脂對(duì)芯片進(jìn)行封包，完成整個(gè)封裝。如圖6為芯片直接安裝封裝后的傳感器外觀照片。圖6芯片直接封裝后傳感器的外觀照片F(xiàn)ig.6 The photo of the sensor after simple packaging5傳感器控制與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到本傳感器中加熱電阻和測(cè)溫電阻電學(xué)特性上完全分離，溫度可以視為相等。本文提出了一種如圖7所示的新型軟硬件相結(jié)合的恒溫差控制電路。其包括四部分：電流源偏置的惠斯通電橋、差分運(yùn)算放大器、加熱電阻驅(qū)動(dòng)部分、失調(diào)電壓調(diào)整電路。其中I2為硬件電流源，I1由Ii1和Ii2兩部分電流組成，Ii1為硬件電路提

18、供的具有正溫度系數(shù)的電流, Ii2為比I2小的硬件電流源，提升R3的電位，位于芯片上的測(cè)溫電阻Rs利用電流源I2偏置。三極管Q1將運(yùn)算放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流，并驅(qū)動(dòng)加熱電阻Rh。圖7風(fēng)速風(fēng)向傳感器的恒溫差電路Fig.7 The CTD circuit of wind sensor在非測(cè)量狀態(tài)下，D/A的輸出電流IDA設(shè)定為零，運(yùn)算放大器的輸出接近地，加熱電阻Rh上的電流為零，系統(tǒng)保持低功耗模式。測(cè)量時(shí)為使傳感器實(shí)現(xiàn)恒溫差控制，MCU將電流IDA設(shè)定為I0，從而使得三極管Q1開啟，加熱電阻Rh以功率P0加熱。根據(jù)傳熱學(xué)定律，傳感器耗散功率與溫度差成正比，而在動(dòng)態(tài)平衡條件下，加熱功率與耗散功率

19、始終相等，從而通過設(shè)定D/A輸出電流可以將芯片溫度提升到設(shè)定溫度T0。在相同的加熱功率情況下，當(dāng)環(huán)境溫度增加時(shí)，芯片的實(shí)際溫度將高于設(shè)定溫度T0，從而使得芯片測(cè)溫電阻Rs高于設(shè)定值。為了保持惠斯通電橋的平衡，需要通過提升D/A輸出電流來(lái)抬升參考電位，從而保持傳感器工作在恒溫差工作模式下。在測(cè)量狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)吹過傳感器芯片，芯片的溫度將會(huì)下降，測(cè)溫電阻Rs也將下降。由于敏感信號(hào)端與運(yùn)算放大器的負(fù)端相接，惠斯通電橋的電壓信號(hào)經(jīng)差分放大后將上升，從而使得加熱功率上升，最終保持傳感器溫度高于環(huán)境溫度一個(gè)固定量。由于本檢測(cè)系統(tǒng)采用熱式傳感器，利用鉑電阻對(duì)芯片表面的溫度場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，而鉑電阻存在較大的溫度系數(shù)

20、，如果測(cè)量系統(tǒng)沒有任何的溫度補(bǔ)償，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量偏差，溫度變化較大情況下測(cè)量系統(tǒng)甚至無(wú)法使用，因此需要對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖7中，參考電阻R3結(jié)合Ii1構(gòu)成具有正溫度系數(shù)的電壓，抵消由環(huán)境溫度變化引起惠斯通電橋的偏差量。D/A的輸出電流為溫度補(bǔ)償?shù)奈⒄{(diào)項(xiàng)，隨環(huán)境溫度變化使得運(yùn)算放大器的輸出穩(wěn)定在固定值，從而實(shí)現(xiàn)恒溫差控制，因此不同的環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)于不同的D/A輸出電流。總而言之，在本節(jié)提出的恒溫差系統(tǒng)中，D/A輸出電流起了兩個(gè)重要的作用：設(shè)定芯片與環(huán)境之間的溫度差和消除傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的溫度漂移。為了實(shí)現(xiàn)較高的信噪比，如圖2所示的惠斯通全橋利用一個(gè)穩(wěn)壓電源進(jìn)行偏置，橋路的輸

21、出利用儀器放大器AD623進(jìn)行放大,放大后的兩路信號(hào)均接到MCU的模擬輸入口(AIN0.0, AIN0.1)，然后MCU進(jìn)行采樣和數(shù)值分析，可以得到數(shù)字化輸出的風(fēng)速和風(fēng)向值。6測(cè)試與分析在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，若測(cè)量系統(tǒng)沒有任何的溫度補(bǔ)償，當(dāng)環(huán)境溫度變化10 C左右，測(cè)量的結(jié)果就出現(xiàn)了較大的偏差，環(huán)境溫度變化更大時(shí)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)幾乎不能正常測(cè)量。本文對(duì)封裝后的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了高低溫溫度補(bǔ)償測(cè)試,如圖8所示為傳感器系統(tǒng)在高低溫試驗(yàn)箱中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在-4060 C范圍內(nèi)，每隔20 C記錄D/A輸出電流，其輸出與環(huán)境溫度基本為線性關(guān)系。圖8單片機(jī)的D/A輸出電流與環(huán)境溫度關(guān)系Fig.8 The compen

22、sation current of microcontroller vsEnvironmental Temperature本文對(duì)不同風(fēng)速風(fēng)向情況下傳感器的輸出也進(jìn)行了測(cè)試。在傳感器的風(fēng)向角為零條件下，利用熱溫差原理測(cè)量惠斯通全橋電路的輸出電壓。如圖9所示，當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s增加到35 m/s時(shí)，傳感器的輸出電壓?jiǎn)握{(diào)上升。與恒功率工作模式相比，恒溫差控制模式下熱溫差測(cè)量風(fēng)速在小風(fēng)速情況下靈敏度有所降低，而輸出曲線線性度得到了優(yōu)化，整個(gè)輸出量程也拓展到了35 m/s。圖9風(fēng)速風(fēng)向傳感器熱溫差輸出隨風(fēng)速變化曲線Fig.9 The curve of bridge output change with

23、wind speed方形結(jié)構(gòu)傳感器在背面感風(fēng)情況下，兩路惠斯通全橋電路輸出電壓隨風(fēng)向變化而變化。在5 m/s的低風(fēng)速下，每間隔9改變一次風(fēng)向，兩路惠斯通全橋電路輸出電壓與風(fēng)向成正弦(余弦)曲線，正切計(jì)算后呈現(xiàn)出幾乎線性的曲線,；然后把風(fēng)速調(diào)到20 m/s的高風(fēng)速下再次測(cè)量，得到風(fēng)向曲線如圖10所示。經(jīng)過軟硬件校準(zhǔn)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)的風(fēng)向測(cè)量精度不低于3。圖10傳感器風(fēng)向測(cè)量曲線Fig.10 Measurement curve of wind direction of the sensor本測(cè)量系統(tǒng)的最終目的是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，測(cè)量系統(tǒng)提供給與本實(shí)驗(yàn)室合作的公司進(jìn)行全天的實(shí)際性能測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如圖

24、11所示。圖中上半圖是本文設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)曲線，下半圖是成熟的商用葉輪式風(fēng)速計(jì)的測(cè)試曲線，可以看到文本設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)用效果好，實(shí)測(cè)曲線與商用葉輪式風(fēng)速計(jì)相比誤差保持在0.5 m/s左右，全天的溫度變化對(duì)測(cè)量系統(tǒng)影響很小，溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，性能穩(wěn)定，為傳感器的產(chǎn)品化打下良好的基礎(chǔ)。圖11傳感器系統(tǒng)與商用產(chǎn)品的實(shí)測(cè)曲線對(duì)比Fig.11 The comparative testing curve of MEMS sensor system and commercial product7結(jié)論本文提出了基于MCU的熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)的微型化和智能化。

25、恒溫差控制電路中，利用MCU集成的軟件可控電流型D/A結(jié)合具有正溫度系數(shù)的硬件電流源實(shí)現(xiàn)風(fēng)速傳感器的溫度補(bǔ)償與恒溫差控制；熱溫差測(cè)量系統(tǒng)中，利用儀器放大器放大兩路惠斯通電橋輸出信號(hào)后利用MCU集成的A/D進(jìn)行采樣；經(jīng)過軟件分析，得到風(fēng)速和風(fēng)向的數(shù)字化輸出。最后，測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際的全天應(yīng)用測(cè)試，與成熟的商用產(chǎn)品對(duì)比，證明了本測(cè)量系統(tǒng)性能良好、穩(wěn)定，達(dá)到了實(shí)用的目的。同時(shí)該傳感器系統(tǒng)具有靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，而且傳感器無(wú)需后處理，結(jié)構(gòu)牢固，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，與同類產(chǎn)品相比具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。參考文獻(xiàn)1 邱金桓,陳洪濱. 大氣物理與大氣探測(cè)學(xué)M.北京:氣象出版社,2005:145-146.QIU

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