湿度基于单片机智能温湿度采集器

第1章绪论

1 .1 课题研究背景和意义

温度是表示物体冷热程度的物理量微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在整个宇宙当中温度无处不存在。无论在地球上还是在月球上也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。

湿度表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少则空气越干燥水汽越多则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度” 。在此意义下常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。湿度表示气体中的水蒸汽含量 有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。 绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量 一般其单位是克/立方米绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比它的值显示水蒸气的饱和度有多高⑴。

温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系 同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高人们对自己的生存环境越来越关注 而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。

温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素 但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材 通过人工进行检测对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低且测试的温度及湿度误差大随机性大。含有微型计算机或微处理器的测量仪器 由于它拥有对数据存储运算逻辑判断及自动化的功能有着智能作用。随着生产的发展一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作 自动控制各种仪器调整环境温度湿度。 目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点测量 而且温湿度信息传递不及时精度达不到要求不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定为此本设计开发了一种能够同时测量多点并实时性高、精度高能够综合处理多点温湿度信息并能

进行温湿度控制的测控产品。总之环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。

1 .2 国内外的研究现状

1 .2.1 温度传感器

集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。其种类很多大致可分为以下5类 1 、模拟集成温度传感器 2、模拟集成温度控制器 3、智能温度传感器 4、通用智能温度控制器 5、微机散热保护专用的智能温度控制器。

集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面

1.温度测量可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。

2.温度控制适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。

3.特殊应用例如热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、 电子密码锁仅对内含64位ROM勺单线总线智能温度传感器而言及液晶显示器表面温度监测等2 。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一仅测量温度 、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等适合远距离测温、控温不需要进行非线性校准外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器典型产品有 AD590AD592TMP17 LM135等。

智能温度传感器亦称数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE的结晶。 目前 国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/D转换器、信号处理器、存储器或寄存器和接口电路。有的产品还带多路选择器、 中央控制器 CPU、随机存

取存储器RAM和只读存储器ROM。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量适配各种微控制器MCU;并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入 21世纪后智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器采用的是8位A/D转换器其测温精度较低分辨力只能达到 「C。 目前 国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器所用的是9~12位A/D转换器分辨力一般可达0.5~0.0625 C。 由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器能输出13位二进制数据其分辨力高达0.03125C 测温精度为± .2C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率 也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例 它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27g、 9血。

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如 DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟RTC使其功能更加完善。 DS 1624还增加了存储功能利用芯片内部256字节的E2PRO存储器可存储用户的短信息。另外智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、 规范化所采用的总线主要有单线总线、 I2C总线、 SMBus总线和SPI总线3 。

1 .2.2 湿度传感器

湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。 空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后元件的阻抗、介质常数发生很大的变化从而制成湿敏元件。近年来 国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一 质量价格都相差较大用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度 需要在这方面作深入的了解。现在国内市场上出现

了不少国内外湿度传感器产品 电容式湿敏元件较为多见感湿材料种类主要为高分子聚合物氯化锂和金属氧化物。

近年来国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件也将湿度测量技术提高到新的水平。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜 当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时元件的电阻率和电阻值都发生变化利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的 常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时湿敏电容的介电常数发生变化使其电容量也发生变化其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化其精度一般比湿敏电阻要低一些。 国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、 Phi l ips公司、 Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1 100型湿敏电容为例其测量范围是1%~99%RH在55%RH寸的电容量为180pF 典型值 。当相对湿度从0变化到100%寸 电容量的变化范围是163pF~202pF温度系数为0.04pF/C,湿度滞后量为±1.5%,响应时间为5so除电阻式、电容式湿敏元件之外还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率 、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差 在检测环境湿度时湿敏元件要长期暴露在待测环境中很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

目前 国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为 Hon eywel l公司

HIH-3602、 HIH-3605、 HIH-3610型  Humirel公司HM1500HM1520HF3223HTF3223型  Sensiron公司SHT1 1 SHT15型 。这些产品可分成以下三种类型

1 线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有 HIH3605/3610、 HM1500/1520其主要特点是采用恒压供电 内置放大电路能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号 响应速度快重复性好抗污染能力强。

(2)线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采用模块式结构属于频率输出式集成湿度传感器在55%R时的输出频率为8750Hz(型值) 当上对湿度从10%变化到95%寸输出频率就从9560Hz减小到8030HN这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

(3)频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外还增加了温度信号输出端利用负温度系数(NTC热敏电阻作为温度传感器。 当环境温度变化时其电阻值也相应改变并且从NTC端引出配上二次仪表即可测量出温度值。

2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT1 1 SHT15型智能化温度/温度传感器其外形尺寸仅为7.6(mr)i X5(mm)>2.5(mm体积与火柴头相近。 出厂前每只传感器都在温度室中做过精密标准标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0~100%分辨力达0.03%RH最高精度为i2%RH测量温度的范围是-40 C~123.8 C,分辨力为0.01 C。测量露点的精度⑷。

1 .3 本文的主要工作和结构安排

本设计以STC89C52^片机为核心来对多点温湿度进行实时巡检。各检测单元(从机)能独立完成各自功能 同时能根据主控机的指令对温湿度进行时时采集。 并将采集来的信息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户如果采集的信息超出了预设范围 闪烁灯和蜂鸣器都将给出报警示意用户 以便做出及时决定。

本系统能够同时检测多路温湿度检测温度范围-55 C~+95C。根据实际需要检测点数可以扩展。系统采用CHR-01湿敏电阻使用模拟电路将湿度信号变为电压信号输出传输给单片机进行分析、处理和控制显示。湿度检测范围为 20%~90%RH其检测精度为±5%。此外本系统还具有报警模块可设定温度湿度报警上下限 当检测到任何温度湿度超过温度湿度报警上下限就进行报警。

本文结构安排如下

第1章绪论介绍了温湿度对人们生活、生产、工作的影响温湿度测量仪的应用

和发展以及温湿度测量仪的核心器件温度传感器、湿度传感器的结构、型号、发展前景第2章方案比较和论证介绍了温度传感器、湿度传感器、控制芯片、输出显示设备的方案比较和选择。

第3章系统整体设计介绍了测量仪信号采集、分析、处理的工作过程和在这些过程中设计的模块电路原理、特性、应用。

第4章软件设计介绍了软件编程的主流程图和测量温度子程序流程图、测量湿度子程序流程图。

第2章方案比较和论证

当将单片机用作测控系统时系统总要有被测信号懂得输入通道 由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言如何准确获得被测信号是其核心任务 而对测控系统来讲对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节 是测控系统的关键部件如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量使设备和系统正常运行在最佳状态从而保证生产的高效率和高质量。

2.1 温度传感器的选择

方案一采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定耐氧化能力强易提纯复制性好工业性好 电阻率较高 因此铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。 缺点是价格贵温度系数小受到磁场影响大在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200~650C,百度电阻比W

100)=1.3850时R0为100Q和10Q其允许的测量误差A级为土(0.15 C+0.002|t| )B级为±(0.3C+0.005|t| )。

铜电阻的温度系数比铂电阻大 价格低也易于提纯和加工但其电阻率小在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50~180C测温。

方案二采用DS18B20温度测量范围从-55C~+125°C, -10~+85°C时测量精度为土0.5C,测量分辨率为0.0625 C,电源电压范围从3.3~5V。它支持“一线总线”的数字方式传输可组建传感器网络。而且无需进行线性校正使用非常方便接口简单成本低廉。与传统的热敏电阻温度传感器不同 它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点 内含寄生电源。

系统有如下特点

(1)不需要备份电源可通过信号线供电

(2)送串行数据不需要外部元件

(3)零功耗等待

(4)系统的抗干扰性好适合于恶劣环境的现场温度测量如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。

综合比较方案一与方案二成本相差不多方案二具有更高的抗干扰能力和精度 电路结构简单选择方案二作为本设计的温度传感器。

2.2 湿度传感器的选择

测量空气湿度的方式很多其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化 间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。 电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、 电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

方案一采用CHR-01湿敏电阻。 CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器 它的工作电压为交流IV频率为50Hz~2kHz测量湿度范围为20%~90%RHW量精度土5%工作温度范围为0~+85C,最高使用温度120C,阻抗在60%RH25C)时为30(21~40.5)KQ。采用555时基或RC振荡电路将湿度传感器等效为阻抗值测量振荡频率输出振荡频率在1k Hz左右。

方案二采用HF3223/HTF3223S度传感器。 HF3223/HTF3223采用模块式结构属于频率输出式集成湿度传感器相对湿度在0%~99%R范围内精度为土5%测量指标和精度高不需校准的完全互换性高可靠性和长期稳定性快速响应时间专利设计的固态聚合物结构适用于线性电压输出和频率输出两种电路 适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程 HTF3223在HF3223的基础上多了一个温度传感器。HF3223湿度传感模块将湿度信息转化为频率信号传输给单片机进行分析、处理和控制显示。

综合比较方案一与方案二方案二虽然精度及测量湿度范围都比方案一高 但成本高了许多方案一成本低廉且能满足测量需求 且调试电路简单 因此在能达到指标要求下为减少成本支出我们选择方案一来作为本设计的湿度传感器。

2.3 控制芯片的的选择

231 单片机

在多数电子设计当中基于性价比的考虑 8位单片机仍是首选。 目前 8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MC&51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MC&51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。

方案一采用AT89C51芯片作为硬件核心采用Flash ROM内部具有4KB ROM存储空间,能于3V的超低压工作而且与MCS-51系列单片机完全兼容但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术 当在对电路进行调试时 由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。

方案二采用AT89S52片内ROM全都采用Flash ROM;能以3V的超底压工作 同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间 同样具有89C51的功能且具有在线编程可擦除技术当在对电路进行调试时由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时不需要对芯片多次拔插所以不会对芯片造成损坏。

方案三STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS位微控制器具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash使得STC89C5为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

方案一是多年前的的产品 因自身设计缺陷 已经很少被人使用。方案二和方案三使用差别不大但方案二需要专有下载线方案三使用串口下载即可。因此选择方案三。

2.3.2 FPGA

FPGA1英文Field—Programmable Gate Array的缩写即现场可编程门阵列它是在PALGAL EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路

(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的 既解决了定制电路的不足又克服了原有可