基于薄膜鉑電阻溫度傳感器和微處理器降低熱線風(fēng)速計的應(yīng)用成本

一般來說，使用熱線風(fēng)速計來測量氣流?，F(xiàn)在有一個代替方法，那就是利用兩個薄膜鉑電阻溫度傳感器。高性能的混合信號微處理器可以測量氣流并驅(qū)動顯示，從而減少元件數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。

氣流是通過空氣流動經(jīng)過一個加熱電阻時的冷卻效應(yīng)來進(jìn)行檢測的（如圖）。R5和R7這兩個RTD本來是帶線性溫度反應(yīng)的電熱調(diào)節(jié)器。而T6和R7組成了流量傳感器。R7上的偏置有意設(shè)成了低于R5的偏置。R6和R7是熱連接的，所以當(dāng)R7被R6加熱時，R7的電阻就增加。

隨著R7電阻的增加，它上面的電壓也增加，直到等于R6上的電壓。此時，片上運(yùn)算放大器（OPA）上的輸出增加到高于比較器的參考電壓。然后，比較器關(guān)閉了脈沖開關(guān)模式控制器（PSMC），從而停止給R6加熱。隨著流動空氣使R6冷卻，為保持同樣的R7電阻和電壓，就需要更多的功率來加熱R6、R7。

兩個分壓器，R2/R5和R1/R7，可以彌補(bǔ)由于環(huán)境溫度的改變帶來的影響。R2 和R5在OPA的輸出和其反相輸入之間組成了分壓器，相似地，R1和R7在可變式數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和OPA的非反相輸入之間形成了一個分壓器。由于R5和R7是一樣的RTD，自我加熱和環(huán)境溫度的改變而帶來的電阻偏差在OPA的輸入處就互相抵消了。

R6的加熱是由一個閉環(huán)控制的，該閉環(huán)由OPA，比較器，PSMC和R6的驅(qū)動Q1組成。當(dāng)流動空氣冷卻R6時，R7的電阻降低，OPA的輸出電壓降到VR以下，而比較器的輸出就升高。這使得PSMC可以傳輸輸出脈沖來驅(qū)動Q1，并將額外電能加到R6上，從而產(chǎn)生更多的熱量。

PSMC是為了脈沖跳越而配置的，因此為保持平衡，只產(chǎn)生必需的脈沖來保持R7適宜的溫度和電阻，來匹配R5上的電壓。DAC的輸出是用來通過調(diào)整R7的偏置來調(diào)整靜止空氣中的平衡點。當(dāng)偏置很高時，R6要達(dá)到平衡電阻水平所需的熱量就更少。靜止空氣中的熱量更低，意味著潛在驅(qū)動輸出中有足夠的凈空，但也意味著偏差由于冷卻和低靈敏度而降低。當(dāng)偏置較低時，R7就要求更多的熱量。更多熱量會產(chǎn)生更好的冷卻效果，而靈敏度也因此而增高。

對R6的驅(qū)動是有限制的，因此如果偏置太低，就無法獲得平衡電阻和電壓。也就是說，當(dāng)偏置較低時，靈敏度較好，但是潛在加熱驅(qū)動中的凈空就較少。根據(jù)經(jīng)驗可以斷定，當(dāng)OPA的輸出為低于VR的100mV時，R6的加熱就會受限，此時可以達(dá)到一個較好的偏置點。

傳給R6上的能量是和流動空氣的冷卻效果是呈正比的。通過計算驅(qū)動R6的時間可測量能量。PIC16C781微控制器有一個積分計時器1。通過連接PSMC輸出和計時器1門輸入，計時器1將只在PSMC輸出為低時才計時。通過清零計時器1，利用計時器0來等待一段時間，然后在該時段結(jié)束前讀取計時器1，來確定平均PSMC驅(qū)動時間。因為該門在低電平時為邏輯為真，門電壓值越高，意味著傳輸?shù)絉6上的能量就越少。

十段的發(fā)光二極管（LED）條線圖顯示相關(guān)的氣流。該圖介紹了如何用五個輸出驅(qū)動十個段，每個輸出驅(qū)動兩個段。當(dāng)輸出很高時，一個LED被驅(qū)動，但當(dāng)輸出很低時，另一個LED被驅(qū)動。而當(dāng)輸出為高阻抗時，兩個LED都不會被驅(qū)動。

PIC16C781的DAC積分使得R7的偏流可以進(jìn)行自動歸零。通電初始化后首先就要通過微控制器內(nèi)置的校準(zhǔn)功能對OPS的偏移量進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，DAC最先設(shè)置為3V的輸出。RTD溫度可以保持6秒鐘。接著，使用計時器1和其門輸入測量出平均PSMC驅(qū)動時間。如果測出的值在預(yù)計零位值的顯示分辨率范圍之內(nèi)的話，歸零程序跳出，而測量和顯示都會繼續(xù)。如果測出的值在預(yù)計值范圍之外，那么DAC就會上調(diào)或下調(diào)來彌補(bǔ)偏差。在6秒鐘后，會進(jìn)行下一次測量。這個過程在不斷重復(fù)，直到R7的偏置達(dá)到所要求的水平。

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