使用热敏电阻器和微控制器简化风速计的设计

By 痛彻心扉 at 2018-11-17 • 0人收藏 • 669人看过

一般来说,使用热线风速计来测量气流。现在有一个代替方法,那就是利用两个薄膜铂电阻温度传感器。高性能的混合信号微处理器可以测量气流并驱动显示,从而减少电子元器件数量,降低系统成本。

气流是通过空气流动经过一个加热电阻时的冷却效应来进行检测的(如图)。R5和R7这两个RTD本来是带线性温度反应的电热调节器。而T6和R7组成了流量传感器。R7上的偏置有意设成了低于R5的偏置。R6和R7是热连接的,所以当R7被R6加热时,R7的电阻就增加。


随着R7电阻的增加,它上面的电压也增加,直到等于R6上的电压。此时,片上运算放大器(OPA)上的输出增加到高于比较器的参考电压。然后,比较器关闭了脉冲开关模式控制器(PSMC),从而停止给R6加热。随着流动空气使R6冷却,为保持同样的R7电阻和电压,就需要更多的功率来加热R6、R7。

两个分压器,R2/R5和R1/R7,可以弥补由于环境温度的改变带来的影响。R2 和R5在OPA的输出和其反相输入之间组成了分压器,相似地,R1和R7在可变式数模转换器(DAC)和OPA的非反相输入之间形成了一个分压器。由于R5和R7是一样的RTD,自我加热和环境温度的改变而带来的电阻偏差在OPA的输入处就互相抵消了。

R6的加热是由一个闭环控制的,该闭环由OPA,比较器,PSMC和R6的驱动Q1组成。当流动空气冷却R6时,R7的电阻降低,OPA的输出电压降到VR以下,而比较器的输出就升高。这使得PSMC可以传输输出脉冲来驱动Q1,并将额外电能加到R6上,从而产生更多的热量。

PSMC是为了脉冲跳越而配置的,因此为保持平衡,只产生必需的脉冲来保持R7适宜的温度和电阻,来匹配R5上的电压。DAC的输出是用来通过调整R7的偏置来调整静止空气中的平衡点。当偏置很高时,R6要达到平衡电阻水平所需的热量就更少。静止空气中的热量更低,意味着潜在驱动输出中有足够的净空,但也意味着偏差由于冷却和低灵敏度而降低。当偏置较低时,R7就要求更多的热量。更多热量会产生更好的冷却效果,而灵敏度也因此而增高。

对R6的驱动是有限制的,因此如果偏置太低,就无法获得平衡电阻和电压。也就是说,当偏置较低时,灵敏度较好,但是潜在加热驱动中的净空就较少。根据经验可以断定,当OPA的输出为低于VR的100mV时,R6的加热就会受限,此时可以达到一个较好的偏置点。

传给R6上的能量是和流动空气的冷却效果是呈正比的。通过计算驱动R6的时间可测量能量。PIC16C781微控制器有一个积分计时器1。通过连接PSMC输出和计时器1门输入,计时器1将只在PSMC输出为低时才计时。通过清零计时器1,利用计时器0来等待一段时间,然后在该时段结束前读取计时器1,来确定平均PSMC驱动时间。因为该门在低电平时为逻辑为真,门电压值越高,意味着传输到R6上的能量就越少。

十段的发光二极管(LED)条线图显示相关的气流。该图介绍了如何用五个输出驱动十个段,每个输出驱动两个段。当输出很高时,一个LED被驱动,但当输出很低时,另一个LED被驱动。而当输出为高阻抗时,两个LED都不会被驱动。

PIC16C781的DAC积分使得R7的偏流可以进行自动归零。通电初始化后首先就要通过微控制器内置的校准功能对OPS的偏移量进行校准。校准后,DAC最先设置为3V的输出。RTD温度可以保持6秒钟。接着,使用计时器1和其门输入测量出平均PSMC驱动时间。如果测出的值在预计零位值的显示分辨率范围之内的话,归零程序跳出,而测量和显示都会继续。如果测出的值在预计值范围之外,那么DAC就会上调或下调来弥补偏差。在6秒钟后,会进行下一次测量。这个过程在不断重复,直到R7的偏置达到所要求的水平。


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