【正文】 方案二：采用 AD590，它的測(cè)溫范圍在 55℃～ +150℃之間，而且精度高 。 M檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為177。 ℃。 AD590可以承受 44V正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借 口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。 AD590 的測(cè)量信號(hào)可遠(yuǎn)傳百余米。 綜合比較 方案一與方案二 ， 方案二 更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇 。 2. 2 濕度傳感器的選擇 測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式 、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。 方案一：采用 HOS201 濕敏 傳感器。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測(cè)量濕度范圍為 0～ 100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃，阻抗在 75%RH（ 25℃）時(shí)為 1MΩ 。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二： 采用 HS1100/HS1101濕度傳感器 。 HS1100/HS1101電容傳8/11/2020 4 4 感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電 容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。 相對(duì)濕度在 1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由 16pF變到 200pF，其誤差不大于177。 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃。可見精度是較高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求，但其 只限于一定 范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度 30～ 50℃的要求，因此，我們選擇 方案二來作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。 2. 3 信號(hào)采集通道的選擇 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中， 溫度 輸入信號(hào)為 8路的模擬信號(hào)，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （ 1） 可以根據(jù)各輸入量測(cè)量的餓要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。 （ 2） 硬件復(fù)雜，故障率高。 （ 3） 軟件簡(jiǎn)單，各通道可以獨(dú)立編程。 方案二、采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬 量通道特點(diǎn)為： （ 1） 對(duì) ADC、 S/H要求高。 （ 2） 處理速度慢。 （ 3） 硬件簡(jiǎn)單，成本低。 （ 4） 軟件比較復(fù)雜。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號(hào)的輸入通道。 8/11/2020 5 5 信 號(hào) 調(diào)理 電 路信 號(hào) 調(diào)理 電 路信 號(hào) 調(diào)理 電 路采 樣 /保 持 器采 樣 /保 持 器采 樣 /保 持 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器接 口接 口接 口C P U 圖 21多路并行模擬量輸入通道 信 號(hào) 調(diào)理 電 路信 號(hào) 調(diào)理 電 路信 號(hào) 調(diào)理 電 路采 樣 /保 持 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器接 口C P U多路切換器 圖 22多路分時(shí)的模擬量輸入通道 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳 感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和 A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以 8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。 A D 5 9 0溫 度 檢 測(cè)C D4 0 5 1多 路開 關(guān)H S 1 1 0 0濕 度 檢 測(cè) M C 1 4 4 3 3A / D 轉(zhuǎn) 換單 片 機(jī)串 行 口L E D 顯 示報(bào) 警 電 路C D4 0 5 1多 路開 關(guān) 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào) 處理 三個(gè)部分組成的。 （一） 信號(hào)采集 由 AD590、 HS1100及多路開關(guān) CD4051組成； 8/11/2020 6 6 （二） 信號(hào)分析 由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC1443單片機(jī) 8031 基本系統(tǒng)組成； （三） 信號(hào)處理 由串行口 LED顯示器和報(bào)警系統(tǒng)等組成。 3． 1 信號(hào)采集 3． 1． 1 溫度傳感器 集成溫度傳感器 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。 一． 主要特性 AD590是電流型溫度傳感器，通過對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋， AD590 的后綴以 I， J， K， L， M表示。 AD590L，AD590M 一般用于精密溫度測(cè)量電路，其電路外形如圖 32 所示，它采用金屬殼 3腳封裝，其中 1腳為電源正端 V＋； 2腳為電流輸出端I0； 3 腳為管殼，一般不 用。集成溫度傳感器的電路符號(hào)如圖 32 所示。 圖 32 AD590外形（圖 1）及電路符號(hào)（圖 2） 流過器件的電流（ μ A）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： I T/T=1μ A /K 式中： IT—— 流過器件（ AD590）的電流，單位μ A。 T—— 熱力學(xué)溫度，單位 K。 AD590的測(cè)溫范 圍 55℃ +150℃。 AD590的電源電壓范圍為 4V30V。電源電壓可在 4V6V 范圍變化，電流 IT變化 1μ A，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向電8/11/2020 7 7 壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。 輸出電阻為 710MΩ。 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M 五檔，其中 M 檔精度最高，在 55℃～ +150℃范圍內(nèi)，非線形誤差177。 ℃。 2 AD590的工作原理 在被測(cè)溫度一定時(shí)， AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和 5～ 30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè) 1kΩ的恒 值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有 1mV／ K的電壓信號(hào)。其基本電路如圖 33所示。 圖 33 AD590內(nèi)部核心電路 圖 33是利用Δ UBE特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等；T T4 是感溫用的晶體 管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實(shí)質(zhì)上是由 n個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n倍。 T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R上，所以 R上端電壓為Δ UBE。因此，電流 I1 為： I1＝Δ UBE／ R＝（ KT／ q）（ lnn）／ R 對(duì)于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻 RL上便可得到與 T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3中 的電阻 R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1μ A／ K的 I值。 8/11/2020 8 8 圖 34 AD590內(nèi)部電路 圖 34所示是 AD590 的內(nèi)部電路，圖中的 T1～ T4 相當(dāng)于圖 33中的T T2，而 T9， T11 相當(dāng)于圖 33中的 T T4。 R R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào) 整之用。 T T8， T10 為對(duì)稱的 Wilson電路，用來提高阻抗。 T T12 和 T10為啟動(dòng)電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。 T6 可用來防止電源反接時(shí)損壞電路，同時(shí)也可使左右兩支路對(duì)稱。R1， R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。 T1～ T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接 防式。而 C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得 T9， T10， T11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個(gè)電路總電流 I的1／ 3。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比為 8： 1， T10 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。 T9 和 T11的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串 聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫出： Δ UBE＝（ R6－ 2 R5） I／ 3 R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來自 T11的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5的 2／ 3。 根據(jù)上式不難看出，要想改變?chǔ)?UBE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5 的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會(huì)使Δ UBE減小，不過，改變 R5 對(duì)Δ UBE的影響更為顯著，因?yàn)樗懊娴南禂?shù)較大。實(shí)際上就是利用激光修正 R5 以 進(jìn)行粗調(diào)，修正 R6 以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其在 250℃之下使總電流 I達(dá)到 1μ A／ K。 二． 基本應(yīng)用電路 8/11/2020 9 9 圖 38是 AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻 R1和電位器 R2的電阻之和為1kΩ時(shí)，輸出電壓 V0隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使 V0=+25=（ mV）。但這樣調(diào)整只保證在 0℃或 25℃附近有較高的精度。 圖 35 AD590應(yīng)用電路 三． 攝氏溫度測(cè)量電路 如圖 35所示，電位器 R2用于調(diào)整零點(diǎn)， R4用于調(diào)整運(yùn)放 LF355的增益。調(diào)整方法如下：在 0℃時(shí)調(diào)整 R2，使輸出 V0=0，然后在 100℃時(shí)調(diào)整 R4使 V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0℃時(shí)， V0=0mV， 100℃時(shí)V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為 25℃，那么 V0應(yīng)為 25mV。冰水混合物是 0℃環(huán)境，沸水為 100℃環(huán)境。 四 .多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì) 系統(tǒng)為八路的溫度信號(hào)采集，而 MC14433僅為一路輸入，故采用 CD4051組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào) 采集電路 ，其硬件接口 如圖 36所示 8/11/2020 10 10 圖 36八 路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 3. 1. 2 濕度傳感器 測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式 、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面 介紹 HS1100/HS1101濕度傳感器及其 應(yīng)用。 一、 特點(diǎn) 不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。 圖 37a 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 37b 為濕度 電容響應(yīng)曲線。 1 0 07 55 02 50 2 002 0 4 04 06 08 01 0 0溫 度 /℃長(zhǎng) 期 穩(wěn) 定正常工作區(qū)區(qū)非正常區(qū) 02 0 4 06 08 01 7 01 6 08 01 9 02 0 0相 對(duì) 濕 度/ % R H 圖 37a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖 37b、濕度 電容響應(yīng)曲線。 相對(duì)濕度在 1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由 16pF變到 200pF，其誤差不大于177。 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃?？梢娋仁禽^高的。 二、 濕度測(cè)量電路 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)8/11/2020 11 11 方與租蓉組成的橋式振蕩電