【正文】 多功能空氣濕度計(jì)的設(shè)計(jì)摘 要濕度是表示大氣干濕程 度的物理量。 空氣的濕度與我們的生活、工作、生產(chǎn)都有著直接的聯(lián)系，為了獲得和測(cè)量濕度值，就必須對(duì)濕度的測(cè)量進(jìn)行研究。本文介紹了一種新型多功能空氣濕 度計(jì)的原理和測(cè)量方法，采用CHR01濕敏電阻作為濕度敏感元件，設(shè)計(jì)出溫濕度檢測(cè)模塊來(lái)測(cè)量空氣中的溫濕度值。運(yùn)用單片機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化后的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理， 再由LED顯示模塊顯示出當(dāng)前空氣溫濕度值，并通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警模塊對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)控。同時(shí)，還對(duì)傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以減少測(cè)量誤差。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要做了以下幾個(gè)方面的工作：一是討論并選擇系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；二 是對(duì)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇；三是對(duì)單片機(jī)及其接口進(jìn)行電路及軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明 ：該空氣濕度計(jì)的性能指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：濕度；濕敏電 阻；AD轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)；1 緒論： 課題研究的目的及意義濕度是表示大氣干 濕程度的物理量。有絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)等多種表示方式。絕對(duì)濕度是單位體積 空氣中所含水蒸汽的 質(zhì)量。一般用1立方米 空氣中所含水蒸汽的克數(shù)來(lái)表示。對(duì)于干燥過(guò)程的控制熱平衡的調(diào)整等，都必須了解絕對(duì)濕度。相對(duì)濕度為空氣中實(shí)際所含水 蒸汽的 密度與同溫 度下飽和水 蒸汽密度的百分比，它是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)。在貯存或加工與 周圍空氣處于濕度平衡的材料時(shí)，相對(duì)濕度有著很大的意義。空氣在一定溫度時(shí)只能吸收一定量的水汽， 空氣中的水蒸氣 達(dá)到飽和狀 態(tài)時(shí)的溫度，叫做露點(diǎn)溫度。研究表明：濕潤(rùn)的空氣才 能保持生機(jī)盎然 。為防止家具、木質(zhì)裝修、書(shū)籍或樂(lè)器老化、變形甚至干 裂的情況出 現(xiàn)，儲(chǔ)存以上物品時(shí)室內(nèi) 濕度應(yīng)保持在45%~55%RH之間，而冬季北方家 庭室內(nèi)濕度僅為10%~15%RH，干燥使我們可能帶上2000~7000伏的高壓靜電，由于家用和辦 公 電器的普及， 靜電更是無(wú)處不在。嚴(yán)重的靜電會(huì)使人心情煩躁、頭暈胸悶、喉鼻不適。只有檢測(cè)出空氣濕度后，才能 運(yùn)用相 應(yīng)的方法調(diào)節(jié)空氣濕度，有效消除靜電，創(chuàng)造森林、海 般的清新空氣?？梢?jiàn)空氣濕度的檢測(cè)對(duì)于我們的身心健康和工作學(xué)習(xí)的重要性。 溫度、濕度監(jiān)測(cè)在人們現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)中應(yīng)用已日漸廣泛，在發(fā)電廠、紡織、食品、醫(yī)藥、建筑、倉(cāng)庫(kù)、農(nóng)業(yè)大棚等 眾多的應(yīng)用場(chǎng)所，對(duì)溫度、濕度參量的要求都非常嚴(yán)格，因此能否有效對(duì)這些領(lǐng)域的溫 、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)和控制是一個(gè)必須解決的重要前提。本課題即以上述問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn) ，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 對(duì)空氣溫度、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測(cè)出當(dāng)前空氣的溫濕 度，并當(dāng)濕度超出用戶設(shè)定的濕度值時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。 濕度傳感器的現(xiàn)狀傳感器屬于多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品，其技術(shù)水平?jīng)Q定于科學(xué)研究的水平，而我國(guó)在傳感器研 究方面科研 投資強(qiáng)度偏 低，科研設(shè)備落后，加之我國(guó)存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉(zhuǎn)化，造成了我國(guó)傳感器產(chǎn)品綜合實(shí)力較低，阻礙了傳感器 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。高分子濕度傳感器的研究始于1938年，由美國(guó)的達(dá)姆()在金屬絲狀電極的上面浸涂一層聚乙烯醇和氯化 鋰的混合感濕膜，而研制出的浸涂式氯化鋰濕度傳感器。此后，電解質(zhì)、有機(jī)高分子、各種感濕材料組成的傳感器相繼出現(xiàn)。自從197 8年芬蘭Vaisala公司成功地研制了Humicap以來(lái)，高分子濕度傳感器優(yōu)異性能在國(guó)際上獲得了越來(lái)越多領(lǐng)域的承認(rèn)，特 別是濕 度量程寬、響應(yīng)時(shí) 間短、濕滯回差小、制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為其它濕度傳感器激烈的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。在氣象、紡織、集 成電路生產(chǎn)、家用電器、食品加工及蔬菜保鮮等方 面得到了廣泛的 應(yīng)用。我國(guó)從1980年開(kāi)始研制高分子濕 度傳感器。隨著應(yīng)用的深入和 擴(kuò)大，我國(guó)研制的高分子濕度傳感器的某些性能已得到了很大的提高，有的接近或趕上了國(guó)外有的廠家生產(chǎn)的濕度傳感器。敏感元件與傳感器發(fā)展 的總趨勢(shì)是集成化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù) 正在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高， 加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，可以預(yù)期：(1) 微機(jī)械加工技術(shù)（MEMT技術(shù)）將高速發(fā)展，成為新一代微傳感器、微系統(tǒng)的核心技術(shù)，是21世紀(jì)傳感器技術(shù)領(lǐng)域中帶有革命性變化的高新技術(shù)。它不僅可以制成簡(jiǎn)單的三維結(jié)構(gòu)，而且可以做 成三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的力平衡結(jié)構(gòu)。采用MEMT技術(shù)形成的微傳感器和微系統(tǒng)，具有劃時(shí)代微小體積、低成本、高可靠等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。(2) 新型敏感材料將加速開(kāi)發(fā)，微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科，各種新技術(shù)的互相滲透和 綜合利用，可望研制出一批先進(jìn)傳感器。(3) 傳感器應(yīng)用領(lǐng)域得到新的拓展，二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的比例大幅度增長(zhǎng)，集成化、智能化傳感器與 變送器將會(huì)呈現(xiàn)暢銷勢(shì)。近年來(lái)，濕度傳感器的研究主要集中在感濕機(jī)理以及應(yīng)用新材料、新工藝提高感濕特性和穩(wěn)定性等方面。目前 ，日本、美國(guó)等國(guó)在濕度傳感器的 研究上已走在世界前列。濕度傳感器可以分為三大類：電解質(zhì)濕 度傳感器、半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器和有機(jī)高分子聚合物傳感器。由于濕度是比較難檢測(cè) 的物理量，而且檢測(cè)濕度時(shí)濕度傳感器必須直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，因此至今還沒(méi)有制成抗污染 、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的濕 度傳感器。在今后比較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，開(kāi)發(fā)具有抗污染 性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的濕敏傳感器仍然是一項(xiàng)重要的研究課題。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容濕度的測(cè)量具有一定的復(fù)雜性， 人們熟知的毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)等己不能滿足現(xiàn)代要求的實(shí)際需要，為此，人們研制了各種濕度傳感器 。濕度按照其測(cè)量的原理，一般可分為電容型、電阻型、離子敏型、光強(qiáng)型、聲表面波型等。電阻式濕度傳感器是利用某些吸濕性能較好的物質(zhì)吸附水汽后，其電阻率變化的原理來(lái)測(cè)定相對(duì)濕度，一般在中濕度（20%～70%RH）使用電阻型濕度傳感器。電阻式濕度傳感器根據(jù)所用的吸濕材料來(lái)分：① 固體電解質(zhì)濕度傳感器② 高分子有機(jī)物濕度傳感器③ 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器等。 本設(shè)計(jì)以CHR01阻抗型高分子濕敏電阻作為濕敏元件來(lái)獲取濕度信號(hào)，從而完成對(duì)空氣濕度的測(cè)量。同時(shí)以溫度傳感器LM35來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫度的檢測(cè)。通過(guò)研究分析，本設(shè)計(jì)分別采用CHR0LM35為濕度、溫度敏感元件來(lái)完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集。本文主要闡述了如何選擇和設(shè)計(jì)溫濕度模塊、A/D模塊、LED顯示模塊、語(yǔ)音報(bào)警等方面的問(wèn)題，以及如何對(duì)傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行非線性補(bǔ)償，和標(biāo)度的變化。最后以單片機(jī)為核心通過(guò)硬件結(jié)合軟件的方法將檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)由LED顯示器直觀地顯示出來(lái)。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及原則本課題的總體思路是：在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)用較常見(jiàn)元件自行設(shè)計(jì)溫濕度檢測(cè)電路，通用該電路采集到的溫濕度信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后利用AT89S51單片機(jī)，通過(guò)LED顯示出當(dāng)前空氣中的溫濕度值，當(dāng)溫濕度超出用戶設(shè)定的范圍時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行語(yǔ)音報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則具體如下：(1) 測(cè)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、濕度值2路輸出。(2) 硬件設(shè)計(jì)在滿足功能要求的前提下，要留有余地，易于功能擴(kuò)展。(3) 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化，以利于調(diào)試、連接和開(kāi)發(fā)。盡量以軟代硬，簡(jiǎn)化電路。(4) 要求實(shí)用化，簡(jiǎn)易化，易于操作和維護(hù)，可靠性，穩(wěn)定性較高。(5) 盡可能選用成熟電路，元器件國(guó)產(chǎn)化，以求降低系統(tǒng)造價(jià)獲得較高的性價(jià)比。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理 本系統(tǒng)是通過(guò)濕度傳感器將空氣中的濕度值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)的總控模塊，AT89S51單片機(jī)可把由溫濕度檢測(cè)電路檢測(cè)出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)利用軟件計(jì)算出溫濕度，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的顯示；然后通過(guò)串口把溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硗庖黄珹T89S51單片機(jī)上，用戶通過(guò)按鍵自行設(shè)置溫濕度的報(bào)警值，當(dāng)溫度或濕度值超出用戶設(shè)定的范圍時(shí)，本系統(tǒng)可以自動(dòng)執(zhí)行語(yǔ)音報(bào)警。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)由信息數(shù)據(jù)的采集、單片機(jī)控制和數(shù)據(jù)輸出三部分構(gòu)成。在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件時(shí)，主要有以下電路模塊：(1)、溫度采集模塊選用LM35溫度傳感器，濕度采集模塊選用CHR01濕敏電阻；(2)、基于AD0809的模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊；(3)、系統(tǒng)硬件單片機(jī)采用AT89S51單片機(jī)；(4)、語(yǔ)音播報(bào)采用ISD4002語(yǔ)音模塊；(5)、數(shù)碼管顯示電路模塊。：?jiǎn)纹瑱C(jī)（AT89S51）LED數(shù)字顯示模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊語(yǔ) 音模 塊溫濕度測(cè)量模塊 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為核心，信號(hào)數(shù)據(jù)的采集由設(shè)計(jì)的溫濕度模塊及傳感器信號(hào)處理轉(zhuǎn)換（A/D）電路構(gòu)成；數(shù)據(jù)輸出由LED數(shù)字顯示模塊和語(yǔ)音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的采集和輸出由軟件編程來(lái)協(xié)調(diào)控制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹了溫濕度模塊設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)、LED數(shù)字顯示模塊設(shè)計(jì)和語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)等五個(gè)方面的內(nèi)容。讓我們?cè)敿?xì)的了解了本系統(tǒng)中各個(gè)組成模塊的設(shè)計(jì)原理及作用，了解了各個(gè)模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的作用。 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 濕度測(cè)量技術(shù)(1) 濕度測(cè)量方法濕度測(cè)量從原理上劃分有二、三十種之多。但濕度測(cè)量始終是世界計(jì)量領(lǐng)域中著名的難題之一。一個(gè)看似簡(jiǎn)單的量值，深究起來(lái)，涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)理論分析和計(jì)算，初涉者可能會(huì)忽略在濕度測(cè)量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。常見(jiàn)的濕度測(cè)量方法有：動(dòng)態(tài)法(雙壓法、雙溫法、分流法)，靜態(tài)法(飽和鹽法、硫酸法)，露點(diǎn)法，干濕球法和電子式傳感器法。①雙壓法是基于熱力學(xué)P、V、T平衡原理，平衡時(shí)間較長(zhǎng)；分流法是基于絕對(duì)濕氣和絕對(duì)干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測(cè)控手段，這些設(shè)備可以做得相當(dāng)精密，卻因設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運(yùn)作費(fèi)時(shí)費(fèi)工，主要作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量之用，其測(cè)量精度可達(dá)177。2%RH以上。② 靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測(cè)量中最常見(jiàn)的方法，簡(jiǎn)單易行。但飽和鹽法對(duì)液、氣兩相的平衡要求很嚴(yán)，對(duì)環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來(lái)要求等很長(zhǎng)時(shí)間去平衡，低濕點(diǎn)要求更長(zhǎng)。特別在室內(nèi)濕度和瓶?jī)?nèi)濕度差值較大時(shí)，每次開(kāi)啟都需要平衡6~8小時(shí)。③ 露點(diǎn)法是測(cè)量濕空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測(cè)量范圍寬。計(jì)量用的精密露點(diǎn)儀準(zhǔn)確度可達(dá)177?！嫔踔粮?。但用現(xiàn)代光電原理的冷鏡式露點(diǎn)儀價(jià)格昂貴，常和標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器配套使用。④ 干濕球法是18世紀(jì)就發(fā)明的測(cè)濕方法，歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：。普通用的干濕球溫度計(jì)將此條件簡(jiǎn)化了，所以其準(zhǔn)確度只有5~7%RH,干濕球法也不屬于靜態(tài)法，不要簡(jiǎn)單地認(rèn)為只要提高兩支溫度計(jì)的測(cè)量精度就等于提高了濕度計(jì)的測(cè)量精度。⑤電子式濕度傳感器法，電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測(cè)量屬于90年代興起的行業(yè)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)新一代濕度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。(2