基于微控制器的风速计在线控制和测量系统设计

　　风速风向测量是气象测量的重要组成部分之一, 硅风速风向微传感器由于具有体积小、功耗低、精度高、响应快、便于集成等优点, 国内外已经进行了深入的研究[ 1~ 4] 。这种硅风速风向微传感器是基于热的原理测量风速和风向信息, 采用加热单元和测温单元集成于一体的传感器结构。目前风速计的研究热点主要集中于二维风速风向传感器, 一般采用热温差型或热温差、热损失型相结合的工作方式[ 5] , 能够同时测量风速和风向。我们多年来一直从事硅热风速风向传感器的研究, 采用标准CMOS集成电路工艺结合MEMS 后处理技术, 并已成功研制了硅微风速传感器[ 6] 。对于不同工作原理的风速风向传感器, 可以采用不同的工作方式进行控制和测量, 其中恒定功率控制方式的控制电路相对简单,易与传感器微结构集成, 恒温差控制方式则可以显著提高微传感器的测试精度和灵敏度等性能, 因此得到广泛应用。传统的风速计控制和测量一般采用片内或片外电路方式实现[ 7, 8] , 电路结构复杂, 能够测量风速大小, 但是很难测量和计算风向, 而且系统采用的较多周边元器件, 占用面积大。针对本实验室所设计的两种工作模式的风速计, 我们提出了一种新的二维风速风向传感器控制和测量系统设计,采用微控制器实现风速计在线控制, 并同时测量风速和风向大小, 能够尽可能的减少系统中元器件的使用量, 大幅缩小系统体积, 提高风速计的测量精度及其系统可靠性能。经过实验测试, 结果符合设计要求。

　　1 二维风速计控制和测量电路及问题

　　本实验室早在上世纪八十年代开始研究硅流量传感器[ 9] , 并对风速计的工作原理和工作方式进行了大量深入的研究和试验[ 10] 。目前我们风速计研究方向主要集中在CMOS 兼容的二维风速风向传感器[ 11] 及其恒温差控制和检测电路[ 12] 的研究, 提出了两种分别基于热偶和基于晶体管圆形加热条结构的二维风速风向传感器。

　　两种二维风速风向传感器均采用恒温差方式控制, 保证芯片温度与环境温度差恒定, 一般设定10~ 20℃ 的温度差。基于热偶的二维风速风向传感器采用多晶硅加热元件以及热电堆作为测温元件, 如图1 所示。其中热堆冷端远离加热区, 与硅衬底基本同温, 接近环境温度而热端位于传感器中心, 能够反应芯片温度, 因此热偶两端电压即可表征芯片温度与环境温度之差。当外界风速改变并带走热量时, 芯片表面温度降低, 与环境的温度差发生改变。通过负反馈控制电路增加多晶硅加热电阻功率, 以维持芯片温度与环境温度差恒定, 当风向改变时, 四周热堆信号也会相应改变。因此通过测量多晶硅加热电阻两端的电压, 即可推算出风速大小; 通过比较两个互相垂直对称热堆的差模信号, 采用三角函数法即可得到风向值, 测量范围可以覆盖360°。