高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)量變送器課件

1、2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計大賽項目報告題 目： 高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)量變送器 學(xué)校： 哈爾濱理工大學(xué) 組別： 專業(yè)組 應(yīng)用類別： 儀器儀表類 平臺： MSP430 題 目：高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)量變送器摘要:本設(shè)計針對目前垃圾焚燒場、焚化爐中高溫氣體的流速監(jiān)測中存在的問題而提出。熱流熱線式風(fēng)速傳感器是利用放置在流場中具有加熱電流的熱線式敏感元件的熱量轉(zhuǎn)移與空氣的流速之間的對應(yīng)關(guān)系求得空氣流動速度。傳感器采用恒溫差控制電路模塊，使金屬絲的溫度差保持不變，消除了由于環(huán)境溫度的變化對測量精度的影響，擴大了應(yīng)用范圍。關(guān)鍵詞：熱流熱線；傳感器；恒溫差A(yù)bstract: The produ

2、ct is putted forward aiming at resolving the wind speed detecting problems of high temperature of the gas flow in the refuse incineration plant and the incinerator. The heat-flux and hot-line wind speed sensor is used by the hot-line sensor heat transfer of a heating current placed in the flow field

3、 and air flow rate of the corresponding relationship, so we obtain the air flow rate. The sensor uses the constant temperature difference control circuit, which keeps the temperature difference of the wire constantly and eliminates the changes due to environmental temperature on measurement accuracy

4、, expanding the scope of application.Keywords: the heat-flux and hot-line; sensor; constant temperature difference1. 引言1.1 系統(tǒng)設(shè)計的背景熱式測量技術(shù)起源于20世紀初，曾廣泛用于流體速度與方向的測量，并且在20世紀60年代以后一度是流體測速領(lǐng)域中的主要技術(shù)之一。美國、歐洲各國、日本先后以不同的方式投入到熱式風(fēng)速測量儀器的研究當(dāng)中。國內(nèi)大部分風(fēng)速變送器市場被國外廠商壟斷，如汽車電噴系統(tǒng)氣體質(zhì)量流量傳感器。由于此類產(chǎn)品性價比高、市場廣，國內(nèi)一些高校和公司也致力于這方面的研究，并

5、取得了一定的成果，但國內(nèi)熱式氣體流速傳感器的研究起步較晚，大多數(shù)型號尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化。中國海洋大學(xué)研究開發(fā)的IFA300熱線/熱膜風(fēng)速儀測量范圍達到了0.03300m/s，可以同時測量六處氣流的一維流速或三處二維流速，風(fēng)速測量精度為測量值的l2。但是，該系統(tǒng)價格昂貴、體積龐大、不便攜帶，很難在工業(yè)生產(chǎn)中普及推廣。在國外，主要有瑞士、荷蘭、歐美和日本等技術(shù)發(fā)達國家，憑借先進半導(dǎo)體技術(shù)大力發(fā)展熱式流量、流速傳感器，并已取得重大成果。法國的KIMO公司、日本的KANOMAX公司、德國的TESTOAG公司等等，目前都有成熟的基于熱式風(fēng)速測量原理的智能風(fēng)速、風(fēng)量儀表面市。按照風(fēng)速測量的不同工作原理，風(fēng)速變

6、送器可分為機械式、動壓式、超聲式和熱式等類別。機械式以風(fēng)杯式和風(fēng)輪式為主，由于轉(zhuǎn)輪是可動元件，機械摩擦、泥沙、灰塵堆積等因素使儀器的可靠性不高，誤差較大；動壓式以皮托管為主，在測量微小風(fēng)速時，誤差也較大；超聲波風(fēng)速變送器價格昂貴，性價比低。熱式風(fēng)速傳感器可測量的最低風(fēng)速為0.03m/s，最高風(fēng)速達300m/s，低風(fēng)速分辨率為0.01m/s。它可以用來測量各種風(fēng)速，尤其在低風(fēng)速測量中有著不可替代的作用。熱式風(fēng)速變送器以其靈敏度高、壓損低、測量范圍大、無可動部件以及可用于極低氣體流速檢測等特點已在氣體檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2 系統(tǒng)設(shè)計的目的流體參數(shù)可謂工業(yè)過程、科學(xué)計量和進行各種經(jīng)濟核算所必須

7、的重要參數(shù)，是能源計量的重要組成部分。流體參數(shù)的測量在工業(yè)生產(chǎn)和過程控制中占有重要地位，特別是在熱電廠、石油、礦山、冶金、航空、機械、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。由于流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、流動條件以及感測機理的復(fù)雜性，造成了流體參數(shù)測量系統(tǒng)的多樣性、專用性和價格差異的懸殊性。通過流體流速的測量，人們可以了解流動過程，并且根據(jù)流體的流動狀態(tài)對生產(chǎn)工藝進行自動控制，進而實現(xiàn)能源的有效管理，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源。風(fēng)速測量作為流速測量領(lǐng)域一個重要的部分，與人們的日常生產(chǎn)、生活密不可分。當(dāng)今世界，風(fēng)速、風(fēng)量儀表更多的出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等領(lǐng)域，它 與國民經(jīng)濟、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和環(huán)境保護息息

8、相關(guān)。隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展，人們對風(fēng)速、風(fēng)量的測量要求也日益提高。本設(shè)計針對目前垃圾焚燒場、焚化爐中300500高溫氣體的流速監(jiān)測中存在的問題而提出，基于熱對流理論進行設(shè)計。熱流熱線式風(fēng)速傳感器是利用放置在流場中具有加熱電流的熱線式敏感元件的熱量轉(zhuǎn)移與空氣的流速之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)熱平衡原理，通過熱量的傳遞轉(zhuǎn)移求得空氣流動速度。經(jīng)分析表明本設(shè)計對流場干擾小、適用范圍廣、熱滯后效應(yīng)小、重復(fù)性好。本設(shè)計可用于高溫腐蝕性氣體流速檢測。由于被測對象處于多方向的流動狀態(tài)，為非定常流。流場具有不均勻性，容易受壓力、溫度變化、濕度大小等環(huán)境因素的影響。氣流穩(wěn)定性差，干擾信號多，不易被測量，且測量精度低。

9、本設(shè)計采用恒溫差控制電路模塊，通過改變加熱的電流使氣體帶走的熱量得以補充，而使金屬絲的溫度差保持不變，消除了由于環(huán)境溫度的變化對測量精度的影響，擴大了應(yīng)用范圍；也大大提高了高溫氣體中氣體流速的測量精度。1.3 設(shè)計需要解決的問題由于被測對象的特性存在著一些困難，使?jié)M足越來越高的風(fēng)速測量要求異常艱難，主要有以下幾個難點： (1)被測介質(zhì)處于多方向的流動狀態(tài)，為非定常流； (2)被測介質(zhì)受高溫、壓力、濕度等環(huán)境因素影響大； (3)氣流穩(wěn)定性差，對測量信號瞬時捕捉能力、系統(tǒng)反應(yīng)速度提出了更高的要求；(4)測量結(jié)果的線性度不好，可靠性差。 本系統(tǒng)設(shè)計的熱流熱線式風(fēng)量變送器解決了上述問題，實現(xiàn)了：(1)

10、風(fēng)速測量儀表攜帶方便，無需繁瑣復(fù)雜的安裝步驟； (2)采用恒溫差控制電路和必要的數(shù)據(jù)處理，使得測量結(jié)果不易受到環(huán)境參量的影響，抗干擾能力強，應(yīng)用范圍廣； (3)測量信號不受流體介質(zhì)的影響； (4)輸出數(shù)字信號，便于遠傳、抗干擾及無線組網(wǎng)； (5)重復(fù)性好；測量范圍寬，線性好；可靠性高，維護簡單，性價比高； (6)用戶免校驗。本論文設(shè)計了一種新型熱線式風(fēng)量變送器。該儀器具備零點校準、滿度標(biāo)定、數(shù)據(jù)備份、LED實時顯示的能力，200Hz1000Hz頻率信號等功能。熱式風(fēng)量測量系統(tǒng)的設(shè)計，豐富了國內(nèi)風(fēng)速測量儀器的種類，改進了國產(chǎn)風(fēng)速儀體積大、功耗高、不便攜帶等諸多不足之處，提高了我國風(fēng)量變送器的設(shè)計

11、水平，縮小了風(fēng)量測量領(lǐng)域我國與發(fā)達國家的差距。2. 系統(tǒng)方案 2.1 系統(tǒng)設(shè)計總體框架整個變送器總體設(shè)計方案都依照優(yōu)化設(shè)計的原則，盡量減少硬件電路的復(fù)雜程度，發(fā)揮單片機處理功能的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)探測器及總體功能的要求，我們選用的是TI出產(chǎn)的MSP430F2012，源于430的低功耗適于惡劣環(huán)境，且MSP430F2012僅14個引腳內(nèi)部集成了A/D模塊，對于A/D轉(zhuǎn)換處理功能強大，同時擁有8路模擬輸入通道，大大的簡化了電路設(shè)計。高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)速測量系統(tǒng)總體方案框圖如圖2-1所示。從圖上可知，系統(tǒng)由模擬電路模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、顯示電路模塊、輸出電路模塊、紅外遙控電路模塊組成。其中模擬

12、電路模塊包括傳感器供電方式、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換等部分。模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的風(fēng)速值由數(shù)碼管顯示電路顯示，并通過紅外遙控技術(shù)進行零點和靈敏度的標(biāo)定以及報警線的設(shè)定。有效地消除了電位器受振動影響而變動產(chǎn)生的產(chǎn)品質(zhì)量問題，增強了產(chǎn)品的可靠性。圖2-1 高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)速測量系統(tǒng)總體方案框圖2.2 熱線式傳感器的傳熱分析熱流熱線式風(fēng)速傳感器利用熱傳導(dǎo)和熱耗散的原理。熱線的換熱過程基本上是一個強迫對流過程，風(fēng)吹過熱線鉑電阻時會帶走一定的熱量，引起熱線電阻溫度的變化，從而阻值發(fā)生變化。這個變化量與風(fēng)速、加熱電流、熱線表面溫度等因素有關(guān)。從這些關(guān)系中可導(dǎo)出熱線散失的熱量Q與風(fēng)速v之間的關(guān)系。其中采用

13、金屬鉑作為熱線傳感器電阻時，電阻值與溫度的關(guān)系為： (2-1)由傳熱學(xué)可知，熱線式傳感器中存在著多種形式的傳熱，包括強迫對流傳熱、自然對流傳熱、導(dǎo)熱傳熱和輻射傳熱。由于熱線式風(fēng)速傳感器是通過測量由風(fēng)的吹動而造成的溫度變化來反映風(fēng)速的，所以，風(fēng)吹動產(chǎn)生的強迫對流傳熱對傳感器熱線的影響最大，起主要作用。從傳感器表面通過強迫對流傳熱帶走的熱量可由下式表示： (2-2)其中為強迫對流傳熱所產(chǎn)生的換熱量；為強迫對流傳熱平均系數(shù)；為換熱表面積；為傳感器熱膜的表面溫度；為氣流的溫度。下圖為本設(shè)計中使用的鉑電阻Pt20與Pt1000，其圖如下圖2-2所示。圖2-2 鉑電阻Pt20與Pt10002.3 傳感器的

14、工作方式下面介紹一下傳感器的工作方式。傳感器探頭中的風(fēng)速傳感器的工作原理是基于熱對流理論進行設(shè)計的。熱流熱線式風(fēng)速傳感器是利用放置在流場中具有加熱電流的熱線式敏感元件的熱量轉(zhuǎn)移與空氣的流速之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)熱平衡原理，通過熱量的傳遞轉(zhuǎn)移求得空氣流動速度。傳統(tǒng)的風(fēng)速傳感器通常采用恒流工作方式，也就是傳感器的工作電流不變，當(dāng)傳感器工作時隨著溫度的升高，其電阻值發(fā)生變化，通過測量兩端變化的電壓獲得風(fēng)速值。但是由于傳感器的溫度隨著被測風(fēng)速值的變化而變化，該特性導(dǎo)致被測精度低，靈敏度差，溫度漂移等問題，如果不改變檢測方法，不可能得到有效克服，所以隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在測量風(fēng)速廣泛使用的是恒溫工作方式。恒

15、溫工作方式是檢測過程中保持傳感器的工作溫度不變，即采用恒溫檢測方法。恒溫法一般把熱線接到惠斯頓電橋的一個臂上，流動的氣體通過熱線時， 熱線溫度降低，熱線的阻值下降，惠斯頓電橋失去平衡，輸出一個不平衡的電壓信號。處理電路將不平衡的電壓信號放大并反饋到電橋，從而使熱線加熱電流變 大，提高熱線的溫度和電阻，使其恢復(fù)原來阻值大小，最終使惠斯頓電橋恢復(fù)平 衡。但當(dāng)外界環(huán)境溫度改變時，外界溫度會對鉑電阻的阻值產(chǎn)生影響，此時外界環(huán)境的溫度對系統(tǒng)帶來溫度漂移問題，需要進行溫度補償。本系統(tǒng)基于上述幾種方法的基礎(chǔ)上采用了一種新的設(shè)計方法，即傳感器采用恒溫差工作模式。與其他幾種控制模式相比，恒溫差控制模式是始終保持

16、傳感器的工作溫度與外界環(huán)境溫度之間的差值是一個固定值，因此輸出和環(huán)境溫度原理上無關(guān)，從而可以更好地解決溫漂問題并且有較大的測量范圍。工作在這種模式下的風(fēng)速變送器溫度不會隨著風(fēng)速的改變而變化，響應(yīng)速度不受傳感器本身響應(yīng)速度的限制。因此，這種控制模式有更高的響應(yīng)速度，大大提高了測量精度，恒溫差工作模式以及其算法是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 模擬電路模塊設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計的熱流熱線式風(fēng)量變送器的模擬設(shè)計模塊包括：風(fēng)速傳感頭的工作方式、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。傳感器的電源部分向傳感頭提供工作電源，傳感器采用恒溫差供電方式，傳感頭和模擬放大電路負責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后由A/D變換器將模擬

17、的電信號變換成數(shù)字信號，單片機對數(shù)字信號進行運算和處理，并將采集到的數(shù)據(jù)變成模擬的電信號，模擬電路模塊設(shè)計框圖如下圖3-1所示。圖3-1 模擬電路模塊設(shè)計框圖傳感器探頭電路的設(shè)計是本設(shè)計的核心關(guān)鍵，影響著后續(xù)接收信號的精確性。如果前端傳感器接收的模擬信號由于環(huán)境溫度或者工作方式選擇不當(dāng)，將會產(chǎn)生被測精度低，靈敏度差，溫度漂移等問題。這也是國內(nèi)很多熱式風(fēng)速傳感器存在的問題，而本文的恒溫差設(shè)計將這些問題得到相當(dāng)大的改善。風(fēng)速測量系統(tǒng)是通過測量溫度來確定風(fēng)速的。在計算風(fēng)速時，系統(tǒng)調(diào)用溫度補償算法來提高風(fēng)速值測量精度，進而消除風(fēng)速測量過程中氣體溫度對測量結(jié)果的影響。因此系統(tǒng)溫度的測量對提高風(fēng)速測量精度

18、起到重要作用。傳感器的測量電路中選用Pt1000鉑電阻作為溫度的敏感元件。下圖3-2是傳感器恒溫差電橋式測量電路原理圖。圖3-2 傳感器恒溫差電橋式測量電路原理圖其中Pt20鉑電阻作為風(fēng)速測量傳感器置于風(fēng)場中，風(fēng)速會帶走Pt20鉑電阻的熱量，使鉑電阻溫度下降，鉑電阻阻值變小，破壞最初的電橋平衡和鉑電阻的熱平衡狀態(tài)。電橋立即將風(fēng)速導(dǎo)致的電信號變化反饋給鉑電阻，是鉑電阻的加熱電流變大，鉑電阻阻值變大并使電橋的輸出信號變小。橋路經(jīng)過不斷快速的反饋調(diào)節(jié)，直至鉑電阻的阻值恢復(fù)到電橋平衡時的阻值大小，最終電橋再次恢復(fù)平衡。由于該橋式電路要求反饋的信號要及時快速，并且精度高，輸出電壓可以高輸出驅(qū)動。所以選擇

19、的運放是美國微芯科技公司生產(chǎn)的MCP6044芯片，它是一款高輸出驅(qū)動軌對軌運算放大器，可以達到高輸出驅(qū)動滿幅度輸入輸出，是一款軌對軌的精密運算放大器。此運放常用于溫度測量、便攜式儀器、測量放大器等應(yīng)用場合。3.2 電壓轉(zhuǎn)換模塊該模塊為整個系統(tǒng)供電分為兩部分，一是給運放芯片提供+5V的工作電壓。二是給單片機、傳感器、顯示電路等提供3.3V的工作電壓。3.2.1 DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MC34063為保證變送器正常穩(wěn)定工作，+5V工作電壓電源將采用DCDC模塊MC34063電壓轉(zhuǎn)換電路，將9-24V直流電轉(zhuǎn)換為+5V。下圖3-3為MC34063降壓轉(zhuǎn)換電路圖。圖3-3 MC34063降壓轉(zhuǎn)換電路圖MC

20、34063是一單片雙極型線性集成電路專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源，一個占空比周期控制振蕩器驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成：開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器三種變換形式的電路。它的靜態(tài)工作電流很低，工作頻率可達100KHz。它的輸入電壓范圍為340v，輸出電壓可調(diào)，輸出電壓范圍在1.2540v?？梢愿鶕?jù)外接的電阻R4和R5的阻值來得到所需要的輸出電壓值。它的外接0.33歐電阻可以使用3個1歐的并聯(lián)使用。芯片中5腳就是電壓比較器的反向輸入端，同時也是輸出電壓取樣端。使用時外接電阻R4和R5的精度不能低于1%。6

21、腳是電壓的輸入端，6腳和7腳之間的電壓超過30mv時，芯片將啟動過流保護電路。其中它的內(nèi)部參考電壓源的精度為2%，34063電源的轉(zhuǎn)換效率很高，一般在輸入電壓值不是很小的情況下，轉(zhuǎn)換效率可達80%以上。3.2.2電源芯片LM1117穩(wěn)壓塊將得到的+5V電壓通過LM117三端線性穩(wěn)壓塊轉(zhuǎn)換為+3.3V，為單片機和傳感器等器件提供工作電壓。1117（3腳芯片）是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路,也稱低壓差電壓調(diào)節(jié)器。它的最大輸出電流可達800mA，這時的壓降為1.2V。1117的最大輸入電壓為20v，輸出的電壓精度在1%，溫度范圍是-40125。圖3-4為1117的電壓轉(zhuǎn)換原理圖。圖3-4

22、LM1117的電壓轉(zhuǎn)換原理圖3.3 信號輸出模塊的設(shè)計 信號輸出模塊包括顯示電路和輸出電路。經(jīng)傳感頭接收到的模擬信號由單片機進行運算處理后，將單片機得到的結(jié)果通過顯示電路顯示數(shù)據(jù)，通過輸出電路送出，輸出頻率模擬信號為200Hz1000Hz。顯示是智能儀器系統(tǒng)必不可少的輸出部分，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。操作人員可以通過系統(tǒng)顯示的內(nèi)容，及時掌握系統(tǒng)的狀態(tài)、獲得所需要的信息。常用的顯示器件有LED、LCD、CRT等。LED數(shù)碼管具有價格低、壽命長、對電壓電流的要求低等優(yōu)點。系統(tǒng)選用3位共陰極七段LED數(shù)碼管。位選線控制字符選擇，段選線控制顯示段元的亮、暗。3.4 遙控器接收電路該變送器將

23、采用紅外遙控調(diào)校技術(shù)，紅外遙控作為一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，易操作等特點。整機未設(shè)任何調(diào)整孔，儀器的調(diào)零、標(biāo)定等設(shè)定全部由紅外遙控器操作，應(yīng)用該項技術(shù)有效地消除了調(diào)整電位器產(chǎn)生的質(zhì)量問題，增強了產(chǎn)品的可靠性。傳感器在長時間運行后會出現(xiàn)精確度下降，零點漂移的問題，這就需要零點漂移補償和靈敏度補償，以提高系統(tǒng)檢測的準確性。零點漂移和靈敏度補償并不是每次系統(tǒng)運行都執(zhí)行的程序，系統(tǒng)給他們設(shè)定了一個時間限制。通過計數(shù)器累加計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器到達要求時，補償程序才能運行。自動校準包括非線性的自動校準、自動調(diào)零、靈敏度自動校準，其方法在前邊已經(jīng)敘述。操作人員在出廠之前需要

24、對儀器進行標(biāo)定，這個出廠標(biāo)定通過紅外線遙控器完成。當(dāng)MCU檢測到有遙控器信號時，當(dāng)型號指令是“標(biāo)定”，則進行相應(yīng)的標(biāo)定操作。零點自動校準和靈敏度自動校準解決了傳統(tǒng)同類儀器的問題，并免除了手動校準的不便，降低維護成本。此研究為設(shè)計新型的礦用負壓探測器提供了依據(jù)。實現(xiàn)了免開蓋紅外遙控調(diào)校，使用壽命長、操作方便等優(yōu)點。遙控器按鍵由“零點標(biāo)定鍵”、“靈敏度標(biāo)定鍵”、“+設(shè)置鍵”、“-設(shè)置鍵”、“確認鍵”共6個按鍵組成。 “零點標(biāo)定鍵”、“靈敏度標(biāo)定鍵”、“+設(shè)置鍵”、“-設(shè)置鍵”、“確認鍵”都是單次觸發(fā)按鍵，即使一直按鍵也只能觸發(fā)一次，兩次按鍵之間要有1s 以上間隔。有效設(shè)置內(nèi)容可永久斷電保持，直到下

25、次更改生效為止。經(jīng)測試本系統(tǒng)可以獲得良好性能，被測信號可以正確地被接收端接收且清晰地顯示出來。圖3-5為遙控器標(biāo)定案件說明。圖3-5 遙控器標(biāo)定按鍵遙控器接收電路采用了公司一體化接收頭，這是一款小型化的通用紅外線接收頭，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。操作人員在出廠之前需要對儀器進行標(biāo)定，這個出廠標(biāo)定通過紅外線遙控器完成。當(dāng)操作人員按下遙控器上的特定鍵后，即向儀器發(fā)送過來一系列的紅外線載波，遙控器接收電路完成信號的接收、放大、濾波、解調(diào)后，再把經(jīng)過此信號送至MCU解碼。圖3-6 HS0038B結(jié)構(gòu)框圖由于采用了一體化接收頭，紅外接收電路不僅簡單而且可靠性大大提高，遙控器接收電路如圖3-7所示。由于H

26、S0038B的輸出電壓是+5V，所以在設(shè)計上采用了一個分壓電路，使輸出能滿足MCU的輸入要求。圖3-7 遙控器接收電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件的算法設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計將主要介紹算法的設(shè)計。上述第三章圖3-2中五個電阻（R1、R2、R3、R4、R5）構(gòu)成一個平衡電橋，傳感器初始冷態(tài)狀態(tài)下，阻值。當(dāng)系統(tǒng)上電，有工作電流工作后，當(dāng)電橋電位平衡時，有： (4-1)其中令敏感元件的阻值隨溫度的變化關(guān)系為。其中T為環(huán)境溫度。帶入公式(4-1)得: (4-2)其中為高于外界的環(huán)境溫度，從而有。得到熱量Q是風(fēng)速與溫度差之間的函數(shù)關(guān)系： (4-3)隨著風(fēng)速的變化，會引起的變化，導(dǎo)致變化，可以通過檢測的電

27、壓，反應(yīng)風(fēng)速v的變化。設(shè)與v的關(guān)系式為=，代入到風(fēng)量Q的表達式(4-3)中得到： (4-5)則與的關(guān)系為： (4-6)將式(4-6)兩邊同時平方得到： (4-7) 進行標(biāo)定時當(dāng)風(fēng)速為0時，電流為I0；當(dāng)風(fēng)速為V1時，電流為I1；代入到式(4-7)，得到： (4-8)最終得到風(fēng)速的表達式： (4-9)算法流程圖如下4-1所示：圖4-1 算法流程圖4.2 分析溫度對風(fēng)速測量的零點漂移、靈敏度的影響及溫度補償技術(shù)零點漂移定義為在正常大氣條件下輸出隨時間的緩慢變化。零點漂移與正常信號發(fā)生疊加，不僅影響了測量精度，而且會導(dǎo)致變送器的誤報和漏報。產(chǎn)生零點漂移的主要因素是外部環(huán)境，如環(huán)境溫度的影響。因此，減

28、小零點漂移對增大檢測的可靠性有非常重要的意義。環(huán)境溫度的影響，是產(chǎn)生零點漂移的主要因素。在正常大氣條件下，傳感器的輸出信號應(yīng)為零，如果此時發(fā)生零點漂移，完全可以對信號進行簡單的處理，即輸出信號減去零點漂移值即可。傳感器靈敏度發(fā)生變化的主要途徑是傳感器隨溫度而變化。傳感器靈敏度的變化一般是存在規(guī)律性的，可以為單片機程序的線性化自動校正提供有利條件。傳感器輸入電壓的測量值加上一個與時間成正比的補償值就可以定義為傳感器的靈敏度時間輸出電壓值。設(shè)V0初始靈敏度輸出電壓,t為以月為單位的傳感器的工作時間，Cs為靈敏度月衰減系數(shù)，則傳感器的靈敏度實際輸出電壓如式4-10： (4-10) 靈敏度的校準實際上

29、就是對靈敏度的衰減進行補償，所以令經(jīng)過靈敏度補償后的電壓： (4-11) 即可改變因傳感器靈敏度衰減造成測量值降低的現(xiàn)象。零點自動校準和靈敏度自動校準應(yīng)用比較簡單，原理可通過應(yīng)用軟件的編程來實現(xiàn)。對于零點自動校準和靈敏度自動校準在設(shè)計中不但通過以上所說的軟件編程的方法來實現(xiàn)校正，而且系統(tǒng)還配置了溫度傳感器18B20進行溫度補償。18B20數(shù)字溫度計以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度。18B20通過只有3個外接引腳，它通過一個單線接口發(fā)送或者接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間僅需要一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身或得，無需外部電源。經(jīng)過軟件和溫度傳感器

30、18B20的溫度補償后，系統(tǒng)實現(xiàn)了提高測量精度的目的，并且免除了手動校準，減少了系統(tǒng)的維護成本。4.3 變送器零點和靈敏度的自動校準功能該變送器將采用紅外遙控調(diào)校技術(shù)，紅外遙控作為一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，易操作等特點。整機未設(shè)任何調(diào)整孔，儀器的調(diào)零、標(biāo)定等設(shè)定全部由紅外遙控器操作，應(yīng)用該項技術(shù)有效地消除了調(diào)整電位器產(chǎn)生的質(zhì)量問題，增強了產(chǎn)品的可靠性。傳感器在長時間運行后會出現(xiàn)精確度下降，零點漂移的問題，這就需要零點漂移補償和靈敏度補償，以提高系統(tǒng)檢測的準確性。零點漂移和靈敏度補償并不是每次系統(tǒng)運行都執(zhí)行的程序，系統(tǒng)給他們設(shè)定了一個時間限制。通過計數(shù)器累

31、加計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器到達要求時，補償程序才能運行。自動校準包括非線性的自動校準、自動調(diào)零、靈敏度自動校準，其方法在前邊已經(jīng)敘述。操作人員在出廠之前需要對儀器進行標(biāo)定，這個出廠標(biāo)定通過紅外線遙控器完成。當(dāng)MCU檢測到有遙控器信號時，當(dāng)型號指令是“標(biāo)定”，則進行相應(yīng)的標(biāo)定操作。主程序流程圖見圖4-2。圖4-2主程序流程圖零點自動校準和靈敏度自動校準解決了傳統(tǒng)同類儀器的問題，并免除了手動校準的不便，降低維護成本。此研究為本設(shè)計提供了依據(jù)。實現(xiàn)了免開蓋紅外遙控調(diào)校，使用壽命長、操作方便等優(yōu)點。自動校準程序流程圖如下圖4-3所示。圖4-3 自動校準程序流程圖5. 系統(tǒng)創(chuàng)新本作品主要有以下難點：(1) 被測介

32、質(zhì)處于多方向的流動狀態(tài)，為非定常流。流場具有不均勻性，容易受壓力、溫度變化、濕度大小等環(huán)境因素的影響。氣流穩(wěn)定性差，干擾信號多； (2) 風(fēng)速測量精度提高難，數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜。一方面，影響風(fēng)速測量精度的因素多，數(shù)據(jù)處理需要考慮多個因素對測量結(jié)果精度的影響并分別采用不同的算法來完成測量結(jié)果的修正。另一方面，熱式風(fēng)速探頭輸出電壓和風(fēng)速的關(guān)系是非線性的，需要對測量數(shù)據(jù)進行擬合。擬合算法在數(shù)據(jù)處理過程中起著重要作用，需要通過實驗的方法找到最佳的擬合曲線。(3) 工作環(huán)境惡劣，長期使用造成的靈敏度和零點漂移問題；本作品創(chuàng)新如下：(1) 本高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)量變送器采用鉑熱電阻作為加熱對象，采用恒溫差控制電

33、路，通過改變加熱的電流使氣體帶走的熱量得以補充，而使金屬絲的溫度差保持不變，消除了由于環(huán)境溫度的變化對測量精度的影響，擴大了應(yīng)用范圍；(2) 采用多段二次插值法進行傳感器信號線形化處理，使檢測精度達到0.1 m/s；(3) 變送器工作一段時間后需要進行重新標(biāo)定，所以在設(shè)計上采用紅外遙控技術(shù)，有效地消除了電位器受振動影響而變動產(chǎn)生的產(chǎn)品質(zhì)量問題。使用前的標(biāo)定、調(diào)零等工作可通過遙控器完成，方便使用與安裝，增強了產(chǎn)品的可靠性。(4) 能夠自動校準傳感器的非線性，零點和靈敏度，記錄需要保存的數(shù)據(jù)，并且掉電之后不丟失。(5) 由于應(yīng)用在易燃易爆的環(huán)境中，所以具有良好的防爆措施(6) 由于工業(yè)現(xiàn)場的電磁干

34、擾大，所以探測器具有一定的抗電磁干擾能力，并且不應(yīng)該對其它電子設(shè)備造成電磁干擾，即具有一定的電磁兼容性。6. 評測與結(jié)論6.1 系統(tǒng)測試方法調(diào)整及標(biāo)定操作說明：遙控器按鍵由“零點標(biāo)定鍵”、 “靈敏度標(biāo)定鍵1”、 “靈敏度標(biāo)定鍵2”、“靈敏度調(diào)整鍵3”、“+設(shè)置鍵”、“-設(shè)置鍵”、“確認鍵”共7個按鍵組成。這些鍵都是單次觸發(fā)按鍵，即使一直按鍵也只能觸發(fā)一次，兩次按鍵之間要有1s 以上間隔。有效設(shè)置內(nèi)容可永久斷電保持，直到下次更改生效為止。工作狀態(tài)：數(shù)碼管顯“XX. X”m/s，工作指示燈每秒閃一次。高溫?zé)崃鳠峋€式風(fēng)量變送器的設(shè)置、調(diào)整及標(biāo)定工作需在標(biāo)準風(fēng)洞中進行。6.1.1 零點標(biāo)定傳感器在無風(fēng)空氣中預(yù)熱一定時間后，按“零點標(biāo)定鍵”一次，工作指示燈以每秒10次閃爍，然后按“確認鍵”，即可把當(dāng)前狀態(tài)記憶為零點標(biāo)定值，設(shè)置內(nèi)容可永久斷電保持，直到下次更改生效為止。6.1.2 靈敏度標(biāo)定(1) 傳感器在預(yù)熱一定時間后，使風(fēng)洞中產(chǎn)生XX. X m/s的風(fēng)速（建議在3.0 m/s左右），信號穩(wěn)定后按“靈敏度標(biāo)定鍵1”一次。這時數(shù)碼管顯示之前設(shè)定的靈敏度標(biāo)定點1的風(fēng)速設(shè)定值，如果與當(dāng)前風(fēng)洞中產(chǎn)生XX. X m/s的風(fēng)速值不符，可通過“+設(shè)置鍵”或“-設(shè)置鍵