360度平面全风向风速传感器

1、. . . 2011-2012仪器C2000与MCU创新设计大赛项目报告题 目：360°平面全风向风速传感器学校： 航空航天大学 指导教师： 顾蕴松 组别： 本科组 应用类别： 控制系统类 平台： MSP430 参赛队成员（含每人的地址，用于建立人才库）：徐添豪 本科 djgdskmkcmm163.季乐 本科 jlnanhhotmail.左伟 本科 视频文件观看地址： 未拍摄邮寄地址和收件人联系方式省市白下区御道街29号210016徐添豪 左伟 360°平面全风向风速传感器摘要：随着中国航空航天事业的发展，流体流动方向和速度的测量的重要性越来越突出。但是目前的测量手段都有着

2、各自的缺陷，本文旨在设计一种新的风向风速传感器。运用目前比较成熟的七孔探针测量原理、基于MSP430单片机的数据采集和控制，制作了一个可以高精度测量平面全风向的风速传感器。最后在此基础上讨论平台的优势与劣势。关键词：航空航天；风速风向；MSP430单片机Detector for Speed and Direction of Fluid of All Direction in PlaneAbstract:With the development of aeronautics and astronautics in china, detecting the speed and direction

3、of fluid plays a more and more important role in industry. This paper aims to design a new method in view of the limitations of current fluid sensors. This new sensor can measure the speed and direction of fluid of all direction in plane precisely based on the theory of seven-hole probe and data acq

4、uisition with MSP430 MCU. Finally, we analyze the strengths and weaknesses of this platform.Keywords: Aeronautics and Astronautics; Speed and Direction of Fluid; MSP430 MCU1. 引言随着中国近年来航空航天事业的高速发展，高精度、应用围广的流动测量技术的重要性逐渐凸显。此外该技术不仅在航空航天有着重要作用，在气象检测、环境控制、管道流量流速测控、生命环境保障、流体机械设计等众多需要流体流动测量的等场合中都有着重要地位。传统的气

5、流方向和速度测量通常采用两种形式：五孔探头（以与七孔探头等多孔探头）测量和热线法/热膜法测量。五孔探头法测量流速流向是应用较为广泛的测量手段。这种方法方便、快速，所需的设备和技术简单，易于实现，但只能用来测量探头围的气流偏角。热线/热膜法测量以热线/热膜为感受元件，随流速变化直接输出电信号，因而与前者相比，响应更快，滞后效应小，动态响应宽，可以用来测量非定常流的流动参数。但热线较为脆弱，不适合于流速较高或非气体流动的场合。热膜探头虽然机械强度较高，但是加工复杂，维护不便，使用受到了一定的限制。并且国市场上的产品普遍存在着精度低使用寿命短的问题，而从外国进口相关设备则会存在价格昂贵以与技术封锁的

6、问题。在此背景下，我们旨在设计出并完成一可以测量平面的流动的流速流向测量设备。它通过多孔压力测试技术可以测量正负180°围气流，极扩大了可测量的围。并且可以与计算机通过无线通信实现数据的传输，以方便数据的后续处理。这样的仪器工作可靠，精度较高，维护方便，并适合使用频繁的场合。该系统可以经过改进封装使其适用于更多的场合，比如实时环境监控，非定常流测量，横风校准仪（用于坦克、火炮等的弹道校准）和教学科研中的流动测量。2. 系统方案系统分为硬件和软件两部分。系统硬件可以分为模型、压强传感器模块、数据处理模块、显示模块、无线模块和上位机用户平台六部分。六个模块相互对应，共同完成数据从采集、转

7、换、处理、存储和向上位机传输和显示的功能。系统软件包括单片机控制软件和上位机平台。系统框图如下： 图1 系统框图图2 圆柱俯视图模型模块为一圆柱，8个测压孔均布于圆柱某一平面。如下图：该模型为流体力学中的经典模型：圆柱绕流，测量原理基于七孔探针。七孔探针可测量气流偏角为78°的大偏角流动，测试精度为1%，并且可以得到空间流场某点的总压、静压。我们利用七孔探针测量大流动角下的总压、静压与方位角的原理，重新组织公式得到了适合我们使用的公式，并且进行了精度的验证。结果证明我们的公式是有足够的精度的，能够满足工程测量的要求。修正后的公式如下：图3 根据上述两个公式拟合得曲线对上图进行曲线拟合

8、，则可得到该参考大气压下的实验公式。由压强传感器模块输出的信号经过+1.5V电压偏置后接至MSP430的A/D通道，等待数据处理。与此同时，PC通过编写好的软件控制A/D转换的开始，模拟电压信号经过A/D转换成数字信号，经过单片机处理之后通过AD1602液晶显示速度与风向，并将数据经RS232接口通过无线模块传输至PC。PC终端将数据处理后记录，方便进一步的研究。3. 系统硬件设计硬件框图如下：图4 硬件框图我们采用了MSP430F149芯片，它的工作电压为1.83.6V，有5种低功耗工作模式可以切换到活动模式。常用的是外接普通32768Khz的钟表晶振，这里A/D模块使用部采样计时器。所用的

9、外围功能模块主要为：48个8位并行I/O口，其中P1和P2具有中断功能；16通道12位逐次逼近型A/D转换器ADC12。MSP430F149存储空间结构采用“-诺依曼”体系，程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）和外围模块由同一组地址和数据总线连接在同一个寻址空间中，寻址空间共64K。其中RAM为2K，ROM为Flash型，共60K，分为120段，可以在程序中整个擦除也可以分段擦除，在ROM可以存放大的数表和数据，以上的特点能很好地适应我们的系统。 传感器部分我们选用了1220A-005G-3S压力传感器，它有三种工作方式：表压、绝压、差压。满量程输出0-100mV，工作温度-40125，

10、区间大，可在环境恶劣的情况下正常工作。误差则控制在0.1%，适合高精度场合。虽然价格较贵，但给我们的测量精度带来了很大的提升。 传感器输出的为模拟信号，由于MSP430f149片ADC模块满足精度要求，所以A/D转换用片资源，且使用部采样定时器。 接口则用RS232接口，其编程简单，接口适用性强，且传输速率已满足我们的系统要求。 无线传输模块选用了APC220，该模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片ADF7020-1。APC220模块能够透明传输任何大小的数据，而无须编写复杂的设置与传输程序，同时小体积宽电压运行，较远传输距离，应用非常广泛。液晶模块我们

11、选用了1602字符液晶，它是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，正好满足了我们显示速度与方向的需求。传感器电路非本项目容，在此不便使用，其余电路均采用常见的电路，故在此省去。4. 系统软件设计单片机程序流程图：图5 程序流程图主函数简短 P6SEL=0xff;ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC; / 打开ADC，设置采样时间ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_3; / 使用采样定时器定义采样方式为多通道序列采样ADC12IE = 0xff; / 使能ADC中断ADC12CTL0 |= ENC; / 使能转换ADC12CTL0 |= ADC12

12、SC; / 开始转换_EINT();LPM0;中断函数中主要包含calculate（）函数：void calculate(unsignedlong P1,unsignedlong P2,unsignedlong P3,unsignedlong P4,unsignedlong P5,unsignedlong P6,unsignedlong P7,unsignedlong P8)其参数为八个通道的数据取32次平均值后对应的数据。calculate（）函数中涉与的coefficient arrays由常温标准大气压下曲线拟合得出，如果环境变化差异巨大，则需重新标定。get（）函数则是用来确定主通道序

13、号，用于计算时数据的选择。由于拟合是选用的三次拟合，所以求解时采用数值方法计算解的近似值（误差10-5）然后根据系统设计中的公式可得到风速风向，并通过1602液晶显示。注：具体代码见附录图6 程序框图此外，我们还设计了上位机平台，程序采用LabView编写，其部分框图如下：该软件可实现简单的数据接收与处理，为系统校验与评估提供了可能。5. 系统创新该平台的开发大提高了实验室风速风向测量的精度，MSP430的数据采集控制的优势得到了充分发挥。无线模块的作用围在10001200m，信号强，可实现信号源与信号接收端分离，减小由于采集装置自身体积带来的流场误差，数据精度更高。传感器、处理模块、接收模块

14、三者分离，安装简便，实用性强，支持扩展、改装以与封装。圆柱模型强度大，可在强风下工作；8通道的模型理论精度高，支持高精度的实验，且迟滞效应弱，任一方向的扰动都能与时地反应在读数上。采用的芯片都是工业级的设计，能在恶劣的环境下正常工作。市场上的风速风向测量仪不能实现以上所有的功能，而我们所开发的系统则拥有上述的优点。6. 评测与结论图7 角度拟合曲线经过对数据的拟合，得到如下曲线：图8 速度拟合曲线在此基础上用步进电机带动圆柱，进行360°的测量，经过数据处理有如下指标：风向最大相对误差1%风速相对误差10%（风速小于1m/s）相对误差3%（风速大于5m/s）显然速度的误差相对较大，尤其在风速较低的时候。下图选取了-1°6°间的部分数据，显然风洞频率低的时候（风速小）理论点与实际点的误差较大，而随着频率增大，理论与实际点的偏差越来越小。图9 多风速、多角度测量部分数据显然我们的平台还存在着各种各样的问题，由于电压信号较小（50mv左右），这使得8个通道的干扰信号影响很大，如何做