风的流速、流量和流向测量与控制与人们的日常生活息息相关。目前风速主要的测量仪器有机械式风速传感器、皮托管风速仪、超声波测速仪、多普勒测速仪、粒子成像测速度场仪、应变式风速传感器、热线热膜风速传感器、热脉冲风速传感器等。热线式风速传感器由于技术成熟,分辨率稳定性比较好是常用的低风速测量方法。目前国内市场微风速传感器多为国外产品,价格昂贵,且很少带有风向识别功能,因此本文面向微风的风速和风向的测量设计了一种热膜式测量系统。热损式风速传感器的测量模型是本设计的基础。本文首先从热力学基础分析了气流强迫对流中平板热传递的过程,给出了热损式风速传感器的数学模型,及精确计算方法。使用金属铂的电阻值温度敏感效应进行温度测量和控制,进而测量传感器在强迫对流中的热传递。通过对比不同绝缘材料的线膨胀系数、热导系数等物理特性选择探头基底材料,并考虑阻塞效应、安装使用方便和其他因素设计了传感器的探头结构。测量系统的硬件和软件是系统的核心。本文通过测量环境温度对测量系统进行温度补偿,使用不平衡电桥和数字PID控制算法对电桥恒温差进行控制。电路中为了减少误差和测量干扰,使用三线连接方法和相互关联的恒流源激励铂电阻进行气流温度和方向温度场的测量。使用差分放大器对电桥电压进行偏置处理。选择高性能的基于ARM CoretexM3的LPC1343作为处理器。微控制器使用SPI接口与模数转换器连接获取探头信息,并使用I2C接口与数模转换器通信控制电桥温度。LPC1343同时还作为测量系统数据处理的核心,将测得数据发送给用户。设计了多种用户接口供用户选择。软件设计时制定了通信协议及通信规则,进行模块化的程序编写。本文对设计模型进行了工程试验测得数据,使用Matlab进行数学模型拟合,对系统进行了标定,并对温差的合理选取进行了分析。