基于MCU的多通道风速计设计与实现

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随着人类对自然界风认识的深入，越来越多的场合需要使用到风的测量。风速计主要用于测量风速，在测量管道环境及采暖、空调制冷、环境保护、节能监测、气象、农业、冷藏、干燥、劳动卫生调查、洁净车间、化纤纺织各种风速实验等方面有广泛用途。嵌入式系统的特点很适合于风速计的设计，可以使风速计朝着多功能、高精度和智能化方向进一步发展。

到 20 世纪 90 年代的早期，采用传统的单点流量测量就已经不能满足要求，为此，本文提出了基于C8051F340 嵌入式系统的多通道风速计设计与实现，阐述了硬件、软件实现方法。实验结果表明，该方法测得的风速精度高，稳定性良好。

1 风速传感器的工作原理

热球式热电偶风速传感器中的球内绕有加热玻璃球用的镍铬丝圈和热电偶，热电偶用于测量镍铬丝圈的温度，可有效保护线圈，精度更高。它是利用E 型( 镍铬-铜镍) 热电偶作为测量温度变化产生的热电式变化的风速传感器。E 型热电偶热电动势大，灵敏度高，适合测量微小的温度变化。它对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E 型热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜、铁-康铜热电偶等优点。热电偶风速传感器结构［1］如图 1 所示。

图 1 中 a、b 是加热丝，c、d 是 E 型热电偶。在实验中，如果恒定电流值保持在 45 mA 左右，结果比较理想。利用 LM336M 产生的基准电压为 2. 5V，通过分压得到 0. 277 V，作为 6 脚的输入基准电压，通过 IRLML2402 给热线提供稳定的电流值( 大约 45 mA) 。

对于外界的风速，利用热电偶风速传感器，根据热力学定律，当固体热源向周围环境以对流方式散发热量时，热对流的公式为

Q = HSΔT ( 1)

其中，H 为热对流系数值，H = KαWmx，Kα为与雷诺数Re、加热丝尺寸 Ls( 常数) 、固体导热系数 λ( 常数)有关的常数; Wx为加热丝表面风速; S 为代表热对流的有效接触面积; ΔT 为固体表面与区域流体之间的温度差。

热电偶把加热丝温度的变化转换成电压信号

其中，uc、ud为金属 c ，d 所具有的热电势，通常是温度的函数; t0为冷端温度。

热电偶式风速传感器的工作原理: 当 a、b 端输入恒定的加热电流，以供给热电偶一个工作环境温度，此时，在 c、d 两端出现相应的热电势。当处于静止空气中( 风速为零) 时，热电势为固定值; 当风速不为零时，风流使热电偶的工作环境温度下降，c、d两端的热电势发生变化，其值为风速的函数。因此，通过热电势的测量可以计算出相应的风速值。