基于微控制器的风速风向传感器系统设计

1、基于微控制器的风速风向传感器系统设计*张燕波，沈广平，董自强，秦明，黄庆安 （东南大学MEMS教育部重点实验室南京210096）摘要：提出了一种基于惠斯通全桥电路的热式风速风向传感器系统设计方案。传感器芯片结构利用ANSYS软件进行了热学和电学的耦合仿真，并进行了结构优化。芯片采用剥离工艺在陶瓷衬底上加工而成，利用直接安装技术对传感器进行封装。系统采用恒温差工作原理进行控制，热温差工作原理测量风速和风向。系统中微控制器集成的电流型D/A对传感器恒温差控制模式的初始状态进行设定，同时补偿环境温度的变化造成的输出信号的漂移，使得系统的工作温度扩展到-4060 。热温差检测模式利用位于片上的8个温敏

2、元件构成两路惠斯通全桥电路连接，这种设计在保证灵敏度的同时提高了其测量范围。本系统的微控制器集成了大量模拟和数字模块，减少片外元件使用量，大幅缩小系统体积，同时能够提高测量系统的测量精度及可靠性。通过风洞测试表明，该系统能够完成360º风向检测，精度达到3°，风速的检测范围达到35 m/s。关键词：MEMS；温度补偿；风传感器系统；智能传感器系统中图分类号：TN36文献标识码：A国家标准学科分类代码：510.3030Design of wind sensor system based on microcontroller Zhang Yangbo, Shen Guangpi

3、ng, Dong Ziqiang, 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

4、 and electrical 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 initia

5、l state of this 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 an

6、d signal sensitivity 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

7、and wind direction of 360º, the wind direction error is 3º.Key words：MEMS; temperature compensation; wind sensor system; smart sensor system第10期 张燕波 等：基于微控制器的风速风向传感器系统设计 21451引言收稿日期：2009-01Received Date：2009-01 *基金项目：国家863项目（2007AA04Z306）资助风速风向是气象资料中非常重要的部分，在气象预报、环境监测与控制等方面有重要的应用。传统的测量方法主要

8、用风杯来测量风速，用风向标测量风向1。这些机械装置体积大、价格昂贵，且具有移动部件，维护不便。近20年来，微电子机械系统（MEMS）的发展为风速传感器的发展带来了新的突破口2。基于微机械加工技术的热式风速传感器可以同时完成风速风向的测量，且具有精度高、体积小、功耗低、不易损坏等优点。随着微电子和微加工技术的不断进步，MEMS传感器根据摩尔定律按比例不断缩小。然而，由于热风速传感器结构的特殊性，将MEMS传感器与接口电路单片集成并不会显著降低整个测量系统的成本，而且需要较高的研发周期。为了实现风速风向测量系统的微型化和智能化，本文提出了一种基于Silicon Labs公司的增强型的51系列单片机

9、C8051F350微控制器的热风速风向传感器系统设计方案。为了简化封装工艺，传感器直接制作在陶瓷基底上，并将风速传感器和信号处理电路集成于一体，直接得到数字化的输出。在该测量系统中，采用恒温差控制模式，热温差工作原理进行测量。热式风传感器由于采用热原理进行检测，存在很大的温漂问题。为使测量系统能够在40 60 °C的宽温度变化范围内均能正常工作，本文在恒温差控制中采用了硬件与软件相结合的方式对系统进行了温度补偿。实验结果表明，经过优化设计和温度补偿，可以很好地抑制温漂，同时灵敏度和检测量程得到了优化。2工作原理目前，热风速风向传感器工作原理主要包括热损失型和热温差型3。热温差型的工作

10、原理是检测由流体造成芯片表面上、下游温度变化的差值来反应风速和风向。基于这种测量原理的风速计的特点在于能够同时测量风速和风向，其对小风速进行测量时具有较大的灵敏度，但在对高风速进行测量时，由于上游温度不可能比环境温度更低，而下游温度不可能比加热条温度更高，所以温度差T会饱和，在测量风速的时候量程受限4。如图1所示的二维热温差型风速计芯片，其横向尺寸为L，厚度为D。由于 L>>D, 陶瓷基板在厚度方面的温度梯度可以忽略。当风速为U时，流体感生的温度梯度分解成如下形式： (1)式中：F(U)为一维情况下，芯片的温度梯度关于风速的灵敏度函数，为温度梯度关于风向的灵敏度函数，为芯片与环境之

11、间的温度差，为芯片内部测温元件之间的温度梯度。在恒温平板近似情况下，可以得到风速和风向灵敏度的解析函数分别为5： (2) (3)式中:和分别是空气和陶瓷基板的热导率，和分布为流体的黏度和热扩散率。由式可以看出，风速灵敏度与芯片的厚度和热导率成反比，而风向灵敏度近似为正弦函数。上式对风速风向传感器的设计提供了设计依据。在恒温差控制模式下，二维风速风向传感器的实现可以利用两组相互垂直放置的测温电阻构成惠斯通全桥来完成。在考虑传感器电学和热学的失配时，惠斯通全桥的输出可以写成6： (4)式中：和分别为正弦和余弦曲线的幅值，和分别为风速信号的失调项，是风向信号的失调项。下标EW、NS分别代表垂直方向和

12、水平方向。3传感器芯片结构设计3.1传感器结构设计本实验室前期研究的一种硅基热电偶结构7，由于硅衬底具有较大热导率，大部分热量通过硅衬底耗散掉，其测量范围和灵敏度有待提高；而另一种玻璃基底铂电阻结构8，具有较高的灵敏度，但芯片不易于封装。为了简化封装和提高灵敏度，本文在陶瓷基板上设计了一种如图1所示结构的二维风速风向传感器，该传感器结构在芯片中央集成了加热电阻Rh和芯片测温电阻Rs。两者相互环绕，温度可以视为相等，同时又可以保持电学特性的相互独立，从而在恒温差控制电路设计时具有更大的自由度9。图1二维风速风向传感器示意图Fig.1 The structure of 2-D wind senso

13、r对于热温差测量，加热电阻和测温电阻之间的距离对传感器的灵敏度和量程均有很大影响10。本文在距离加热电阻不同位置上集成了两组测温电阻，并将两组惠斯通半桥反向相接，形成如图2所示的全桥电路。如此设计的传感器结构灵敏度为半桥结构的近2倍，而且还可以对传感器的灵敏度和测量范围进行优化设计。图2二维风速风向传感器惠斯通全桥连接方式Fig.2 The circuit of 2-D wind sensor with Wheastone bridge3.2传感器参数优化传感器的加热电阻和测温电阻之间的位置对传感器性能有很大影响。对传感器进行优化设计时，需要对不同风速风向条件下对传感器进行热域、流体域和电能域

14、等多能域耦合模拟，从而得到芯片表面温度场分布。图3所示为本文提出的热风速传感器结构简化ANSYS模型。其中，传感器芯片尺寸为4 mm，陶瓷芯片和空气流动的厚度分别为0.25 mm和0.5 mm。传感器芯片中央的加热电阻尺寸为0.5 mm，加热电阻和测温电阻之间的距离L从0.1 mm增加到0.5 mm。在ANSYS CFX中，空气和芯片被定义液体和固体，而两者之间的界面定义为流固界面（FSI）。气体的性质定义为不可压缩流体，环境温度设为27 。假定传感器工作恒温差方式下，将芯片加热电阻温度设为77 。一旦流入和流出的边界条件设定，传感器与表面气体温度分布就可以利用静态仿真得到11。图3热风速风向

15、传感器的ANSYS模型Fig.3 The ANSYS modle of wing sensor对传感器表面的温度分布进行采样分析，可以得到不同L时芯片温度差与风速之间的关系。如图4所示，随着风速的增加，芯片表面迎风与背风测温电阻之间的温度差增大，直至饱和。模拟结果表明，当距离较小时，在低风速情况下，传感器可以得到较高的灵敏度，而量程受限。距离增大时，传感器得到较大的量程。经过优化设计，得到如图5所示的传感器，其设计的两组测温电阻与加热电阻之间的距离分别为0.1 mm和0.5 mm。图4不同L时，传感器芯片内温度差随风速变化曲线Fig.4 The relationship of temperat

16、ure difference of the sensor chip change with wind speed under different L图5优化设计后的传感器版图Fig.5 The Optimized design of sensor layout4传感器芯片的制备与封装本传感器采用两步剥离工艺，在陶瓷基板上加工完成12。在室温下，芯片加热条Rh和测温电阻Rs分别为400 和2 k。在25 C到60 C温度范围内，测温电阻的温度系数为1 050×10-3/。传感器采用芯片直接安装封装方法13，在方形PCB封装基板中心设计了一个大小为3.5 mm×3.5 mm的方

17、孔以露出芯片。为了减小引线键合难度，本文采用的PCB板为0.8 mm厚度的单层板，并在焊盘上镀金。然后利用封接胶将陶瓷基板倒贴在PCB上。待封接胶完全固化后，利用引线键合的方法完成芯片与电路间的电学互连。最后，利用低热导率的包封树脂对芯片进行封包，完成整个封装。如图6为芯片直接安装封装后的传感器外观照片。第10期 张燕波 等：基于微控制器的风速风向传感器系统设计 2147图6芯片直接封装后传感器的外观照片Fig.6 The photo of the sensor after simple packaging5传感器控制与检测系统设计考虑到本传感器中加热电阻和测温电阻电学特性上完全分离，温度可以

18、视为相等。本文提出了一种如图7所示的新型软硬件相结合的恒温差控制电路。其包括四部分：电流源偏置的惠斯通电桥、差分运算放大器、加热电阻驱动部分、失调电压调整电路。其中I2为硬件电流源，I1由Ii1和Ii2两部分电流组成，Ii1为硬件电路提供的具有正温度系数的电流, Ii2为比I2小的硬件电流源，提升R3的电位，位于芯片上的测温电阻Rs利用电流源I2偏置。三极管Q1将运算放大器的输出电压转换成电流，并驱动加热电阻Rh。图7风速风向传感器的恒温差电路Fig.7 The CTD circuit of wind sensor在非测量状态下，D/A的输出电流IDA设定为零，运算放大器的输出接近地，加热电阻

19、Rh上的电流为零，系统保持低功耗模式。测量时为使传感器实现恒温差控制，MCU将电流IDA设定为I0，从而使得三极管Q1开启，加热电阻Rh以功率P0加热。根据传热学定律，传感器耗散功率与温度差成正比，而在动态平衡条件下，加热功率与耗散功率始终相等，从而通过设定D/A输出电流可以将芯片温度提升到设定温度T0。在相同的加热功率情况下，当环境温度增加时，芯片的实际温度将高于设定温度T0，从而使得芯片测温电阻Rs高于设定值。为了保持惠斯通电桥的平衡，需要通过提升D/A输出电流来抬升参考电位，从而保持传感器工作在恒温差工作模式下。在测量状态下，当风吹过传感器芯片，芯片的温度将会下降，测温电阻Rs也将下降。

20、由于敏感信号端与运算放大器的负端相接，惠斯通电桥的电压信号经差分放大后将上升，从而使得加热功率上升，最终保持传感器温度高于环境温度一个固定量。由于本检测系统采用热式传感器，利用铂电阻对芯片表面的温度场进行感应，而铂电阻存在较大的温度系数，如果测量系统没有任何的温度补偿，当环境温度变化时系统出现测量偏差，温度变化较大情况下测量系统甚至无法使用，因此需要对该测量系统进行温度补偿。图7中，参考电阻R3结合Ii1构成具有正温度系数的电压，抵消由环境温度变化引起惠斯通电桥的偏差量。D/A的输出电流为温度补偿的微调项，随环境温度变化使得运算放大器的输出稳定在固定值，从而实现恒温差控制，因此不同的环境温度对

21、应于不同的D/A输出电流。总而言之，在本节提出的恒温差系统中，D/A输出电流起了两个重要的作用：设定芯片与环境之间的温度差和消除传感器在实际应用中的温度漂移。为了实现较高的信噪比，如图2所示的惠斯通全桥利用一个稳压电源进行偏置，桥路的输出利用仪器放大器AD623进行放大,放大后的两路信号均接到MCU的模拟输入口(AIN0.0, AIN0.1)，然后MCU进行采样和数值分析，可以得到数字化输出的风速和风向值。6测试与分析在实验过程中发现，若测量系统没有任何的温度补偿，当环境温度变化10 °C左右，测量的结果就出现了较大的偏差，环境温度变化更大时整个测试系统几乎不能正常测量。本文对封装后

22、的传感器系统进行了高低温温度补偿测试,如图8所示为传感器系统在高低温试验箱中的实验结果。在-4060 °C范围内，每隔20 °C记录D/A输出电流，其输出与环境温度基本为线性关系。图8单片机的D/A输出电流与环境温度关系Fig.8 The compensation current of microcontroller vsEnvironmental Temperature本文对不同风速风向情况下传感器的输出也进行了测试。在传感器的风向角为零条件下，利用热温差原理测量惠斯通全桥电路的输出电压。如图9所示，当风速从0 m/s增加到35 m/s时，传感器的输出电压单调上升。与恒功

23、率工作模式相比，恒温差控制模式下热温差测量风速在小风速情况下灵敏度有所降低，而输出曲线线性度得到了优化，整个输出量程也拓展到了35 m/s。图9风速风向传感器热温差输出随风速变化曲线Fig.9 The curve of bridge output change with wind speed方形结构传感器在背面感风情况下，两路惠斯通全桥电路输出电压随风向变化而变化。在5 m/s的低风速下，每间隔9°改变一次风向，两路惠斯通全桥电路输出电压与风向成正弦(余弦)曲线，正切计算后呈现出几乎线性的曲线,；然后把风速调到20 m/s的高风速下再次测量，得到风向曲线如图10所示。经过软硬件校准，

24、风速风向传感器系统的风向测量精度不低于3°。图10传感器风向测量曲线Fig.10 Measurement curve of wind direction of the sensor本测量系统的最终目的是实现产品化，测量系统提供给与本实验室合作的公司进行全天的实际性能测试，测试的结果如图11所示。图中上半图是本文设计的风速风向传感器测量系统的实测曲线，下半图是成熟的商用叶轮式风速计的测试曲线，可以看到文本设计的测量系统实用效果好，实测曲线与商用叶轮式风速计相比误差保持在0.5 m/s左右，全天的温度变化对测量系统影响很小，温度补偿的效果好，性能稳定，为传感器的产品化打下良好的基础。图1

25、1传感器系统与商用产品的实测曲线对比Fig.11 The comparative testing curve of MEMS sensor system and commercial product7结论本文提出了基于MCU的热风速风向传感器系统设计方案，实现了风速风向测量系统的微型化和智能化。恒温差控制电路中，利用MCU集成的软件可控电流型D/A结合具有正温度系数的硬件电流源实现风速传感器的温度补偿与恒温差控制；热温差测量系统中，利用仪器放大器放大两路惠斯通电桥输出信号后利用MCU集成的A/D进行采样；经过软件分析，得到风速和风向的数字化输出。最后，测量系统经过实际的全天应用测试，与成熟的商

26、用产品对比，证明了本测量系统性能良好、稳定，达到了实用的目的。同时该传感器系统具有灵敏度高和响应时间快的优点，而且传感器无需后处理，结构牢固，适合产业化生产，与同类产品相比具有很强的竞争力。参考文献1 邱金桓,陈洪滨. 大气物理与大气探测学M.北京:气象出版社,2005:145-146.QIU J H, CHEN H B. Detection of atmospheric physics and atmospheric scienceM. Beijing: Meteorlogical第10期 张燕波 等：基于微控制器的风速风向传感器系统设计 2149Press, 2005:145-146.2

27、NGUYEN N T. Micromachined flow sensorsa reviewJ. Flow Measurement and Instrumentation,1997, 8(1):7-16.3 OUDHEUSDEN B W. Silicon flow sensorsJ. IEE Proceedings, 1988, D135:373-380. 4 高冬晖,秦明. 硅热流量传感器封装的热模拟分析J. 半导体学报, 2005,26:368-372.GAO D H,QIN M, Thermal simulation of silicon gas flow sensor and its

28、packagingJ. Chinese Journal of Semiconductors, 2005, 26:368-372.5 OUDHEUSDEN B W.Silicon thermal flow sensor with a two dimensional direction sensitivityJ. Measurement Science and Technology, 1990,1:565-575.6 MATOVA S P, MAKINWA K A A, HUIJSING J H, ompensation of packaging asymmetry in a 2-D wind s

29、ensor C. Sensors Journal, IEEE, 2003,3:761-765.7 孙凯,秦明. 基于微控制器的风速计在线控制和测量系统设计J. 传感器技术学报, 2006, 19:682-685.SUN K, QIN M. Design of n-line control and measurement system for anemometer based on micro-controller J. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2006,19: 682-685.8 吴剑,沈广平. 一种基于C8051F330的二维风速风

30、向系统J. 传感器技术学报, 2008,21:695-697.WU J, SHEN G P. Two dimension thermal flow sensor micro system based on C8051F330J. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2008,21:695-697.9 SHEN G P, QIN M, HUANG Q A. A novel 2-D wind sensor with thermal feedbackC. Solid-State and Integrated-Circuit Technology, 2008. ICSICT 2008. 9th International Conference, 2008:2399-2402.10 高冬晖,秦明. 结构参数对硅热流量传感器热性能的影响J. 仪器仪表学报, 2004,25(4):45-46.GAO D H, QIN M. Influence of structure parameters on the sil icon thermal flow sensorJ. Chinese Journal of Scientific Instrument