基于单片机的简易风速测量仪的研制 文献综述.docx
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基于单片机的简易风速测量仪的研制文献综述
基于单片机的简易风速测量仪的研制
摘要：
风速测量在现代环保、农业，甚至是建筑装修等领域都是一个非常重要的应用，尤其是建筑及智能楼宇设计中，小范围、小通道的风速测量应用普便。
由此对小范围的检测，特别是楼宇通风的设计与检测显得十分重要，而采用热线式传感器来作为这方面的检测具有某些传感器不可替代的优势。
本文介绍了热线式传感器在测风速领域国内外发展历史与现状、简单概述与检测原理、、速优越性和应用，以及总体设计方案。
关键字热线式风速测量仪；原理；发展，单片机
hot-wiresensorisintroduced
Abstract:
Hot-wiremeasurementsinmodernenvironmentalprotection,agriculture,andeveninareassuchasbuildingrenovationisaveryimportantapplication,particularlyinconstructionandintelligentbuildingdesign,windspeedmeasurementapplications&Phasasmallrange,asmallchannel.Wherebythedetectionofsmall,especiallythedesignofthebuildingandtestingofventilationisveryimportant,asthehotwiresensordetectsthissensorhascertainadvantagesirreplaceable.
Keywordshot-wiresensor；principle；development，SingleChipMicrocomputer.
目录
0引言4
1研究的目的和意义4
2热线式风速传感器发展的状况4
3热线式风速传感器概述6
3.1热线式风速检测工作原理：
6
3.2热线式传感器风速检测的优越特性7
4系统方案总体设计7
4.1原理图7
4.2参数的整定8
4.3信号调理电路9
4.3.1A/D转换电路9
4.3.2放大电路10
4.4信号采集电路10
5热线式风速传感器应用及发展前景11
6进度安排11
7总结11
8参考文献12
0引言
随着现代科学技术的高速发展，检测技术发展带动了测风速传感器的研究与广泛应用，其种类繁多，用途广泛。
按传感器的原理可分为三类：
热线式传感器，三杯电涡流式传感器，三杯光耦感应器式传感，其中热式传感器因其测量准确度高、使用方便、测量范围宽、灵敏度高而被广泛应用。
热线式风速传感器是以热丝（钨丝或铂丝）或是以热膜（铂或铬制成薄膜）为探头,裸露在被测空气中,并将它接入惠斯顿电桥,通过惠斯顿电桥的电阻或电流的平衡关系,检测出被测截面空气的流速。
热膜式风速传感器的热膜外涂有极薄的石英膜绝缘层,以便和流体绝缘,并可防止污染,可在带有颗粒的气流中工作,其强度比金属热线丝高。
1研究的目的和意义
风速测量在环保、农业，甚至是建筑装修等领域都有着重要的应用，尤其是建筑及智能楼宇设计中，小范围、小通道的风速测量应用普便。
研制一种适合于手持便携的风速测量仪，对于楼宇通风的设计与检测有着一定的应用价值。
本课题的研究目的是设计一款便携式手持风速测量仪。
2热线式风速传感器发展的状况
热线风速传感器的原理性试验早在1902年shakepear在伯明翰就开始了，由于技术条件，被迫停止。
1909年kennelny和riabouchinsky等人先后提出了电子风速仪的概念，经过一些研究者的完善，到了1914年king提出了无限长圆柱体与流体之间的热对流理论，为热线风速仪提供了理论基础。
此后，经历了以平均流速测量为主的发展阶段，同时在探针类型和使用技术上也做了大量探讨，发展了二线探针，三线探针，以及玻璃图层保护技术，修正温度漂移的辅助线方法等。
在工作原理上，明确提出了CCA和CTA两种工作方法，并发展了工作方法的测量仪器。
从平均速度的测量到动脉速度的测量是热线技术发展的一大飞跃，也是热线至今还具有生命力的关键。
热线的这个飞跃，关键是确立了横流工作模式的热之后效应理论，并发展了热滞后的电子补偿原理及其相应的电子线路。
这为以后一段时间恒流测速仪的应用打下了坚实的基础。
在五十年代出气，恒流风速仪的补偿频率范围达到了50KHZ左右，此外，恒流风速仪具有灵活调节过热比的特点，因而使他的温度测量和可压速流动速度测量方面比恒温风速仪具有发展前途。
恒温风速仪的发展是热线技术发展地又一标志。
由于恒流热线风速仪的热瞎按热惯性大，因此在脉动速度的测量上受到限制，二恒温热线风速仪热线惯性小，具有快速响应的特点，更重要的是五十年代后的电子技术的飞速发展，对热线的滞后进行了及时的补偿，频率表形影达到1兆赫兹以上，该频率使得流体中出现的各种频率量的测量提供了可能。
由于线路的快速补偿，也出现了热膜风速仪，是的该技术可以在受污染的气体和液体中进行流动参数的测量。
图1
热线技术另外发展是对流体温度，密度，浓度的测量。
热膜技术方面，目前取得研究进展的方面还包括对液态金属流，两相流及非牛顿流体的测量。
3热线式风速传感器概述
3.1热线式风速检测工作原理：
热线式检测器hot-wiresensor将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。
其原理是将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。
它有三种工作模式：
如果流过热线的电流为
热线电压
热线的电阻为
则热线产生的热量是
或
。
当热线探头置于流场中时,流体对热线有冷却作用,忽略热线的导热损失和辐射损失,可认为热线是在强迫对流换热状态下工作。
根据牛顿冷却公式,热线散失的热量为
式中
为热线的对流换热系数;
为热线的换热表面积;
为热线温度;
为流体温度。
在热平衡状态下,热线的能量守恒方程为
或
其中,电阻
也是热线温度的函数。
对于一定的热线探头和流体条件,
主要与流体的运动速度
有关,在
一定的条件下,流体的速度只是电流或电压和热线温度的函数,即
或
由此可看出:
只要固定
或
和
这2个参数中的任何一个,都可以获得流速W与另一个参数的单值函数关系。
（1）若电流
或电压
固定,则
可根据热线温度
测量流速
这种工作方式即为恒流工作方式或恒压工作方式。
（2）若保持热线温度
恒定,则
或
可根据流经热线的电流
或电压
测量流速,这即为热线的恒温工作方式或恒电阻方式。
（3）此外,还可以始终保持
恒定,同样可以根据热线电流I或电压U来测量流速,这种叫做恒加热温度工作方式。
3.2热线式传感器风速检测的优越特性
和传统测速设备相比，热线技术具有惯性小，频率响应宽，灵敏度高，对流畅干扰较小的特点，热线信号连续，不用流场中加入示踪粒子，不受流场透明性的限制，而且成本较低等优点，可以测量多种数据:
1.测量平均流动的速度和方向。
2.测量来流的脉动速度及其频谱。
3.测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。
4.测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。
5.测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度），除此以外还开发出许多专业用途。
4系统方案总体设计
4.1原理图
风速检测系统原理图如图，主要由风速检测器、A/D转换电路、显示电路及按键电路等组成。
图2总体设计
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
4.2参数的整定
热线风速仪的原理是把热线加热到某一确定的温度（设恒高于被测介质200e）控制输入热线的电流使之与热线的散热量相当,则该电流值就是介质流速的函数。
鉴于热线风速仪的标定都是在常温常压下的空气风洞中进行的,故在实际现场测量中,应考虑两个方面的问题。
一方面是被测介质的压力和温度的影响,另一方面是被测介质物性的影响。
恰恰这两方面的原因,给该种仪器带来了两方面的限制,变工况情况下超差严重,应用范围窄。
温度、压力和介质的物性参数都是传热学中最敏感的参数,考虑这些参数对热线风速仪测量结果的影响是必要的。
在某些情况下,热线风速仪与皮托管的比对结果可相差40%以上，因此需要进行非线性的校正和零漂的补偿。
4.3信号调理电路
4.3.1A/D转换电路
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C总线以串行的方式进行传输。
PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。
PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定。
其芯片内部组成电路为：
图4
4.3.2放大电路
由于传感器输出的信号十分微弱，因此需要将其放大匹配MCU，本系统采用了三运放搭建的仪表放大器对电桥输出信号进行放大，电路原理图见图。
要求R7=R8,R9=R10,R11=R12,而且要求严格匹配,三组电阻中任何两个不匹配都会导致共模抑制比（CMRR）的下降。
除此之外,影响共模抑制比的因素还有A1、A2、A3三个运算放大器的匹配精度,三个运放应选取同一生产批次、性能接近的同型号产品,以保证三个运放本身的共模抑制比（CMMR）、开环增益等指标一致。
图5仪表用放大器原理图
当所选电阻完全匹配时,本系统用放大器差模电压增益A为：
4.4信号采集电路
本实验拟采用NTC热敏电阻桥接，输出差分信号，可以有效抑制温漂。
根据风速传感器的测量原理,将热敏电阻接入电桥的桥臂,通恒定电流一段时间后,对受风热敏电阻加一定的风,然后测量电桥的两个桥臂输出电压即可测量电压和风速的关系。
图6热敏电阻风速测量原理电路图
图中,R1,和R2为圆片NTC热敏电阻,分别接入风速检测桥路的AC,AD桥臂。
为了尽量减小环境温度变化产生的影响,选择两同型号电阻,其中R3用于测风速,R4用于电桥补偿。
在无风状态下,通过调整电位器Rw1和Rw2使桥臂输出压差趋于平衡。
而在有风状态下,可以通过测量桥路的输出电压
电压值的变化来标示风速。
此电路需要恒流源。
5热线式风速传感器应用及发展前景
在高速发展的社会，人们对各类控制装置技术要求越来越高。
由于现在自动化程度、以及传感器检测技术迅速发展，加上现在对风速检测也愈发重要。
这就推动了风速检测的研究与发展了。
目前除了传统意义上的风速检测还主要朝着多用途、新型传感器材料、创新传感技术的开发、应对恶劣环境条件下工作如高温、高压等；还有低成本传感器的开发以及传感器与其他微技术相结合应用的发展。
所以，以后不管是风速检测还是其他物理量检测的传感器以后发展前景非常好，应用将更加广泛。
6进度安排
2月下旬——3月初阶段：
查阅文献综述等资料，弄清基本概念，掌握相关学科基础知识；
3月中旬——4月中旬阶段：
撰写文献综述,完成开题报告；51单片机的开发与应用，掌握风速测量的基本原理。
4月中旬——5月中旬阶段：
完成单片机采集与显示的设计，元件的焊接
5月中旬——5月底阶段：
完成风速传感器的设计；
5月底——6月初阶段：
进行毕设总结，整理资料，撰写论文，准备答辩。
7总结
纵观风速传感器检测技术的研究发展史，热线风速传感器检测的原理简单，并且具有一定优势特点，所以现在我们可以看到热线传感器的应用广泛，特别是楼宇、煤矿的参数检测。
所以日后风速传感器不仅仅是传统意义上的速度检测，传感器与其他微电系统的相结合应用将得到更大提升，发展出新的设备产品，技术也将更加全面。
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