【正文】 多功能空氣濕度計的設(shè)計摘 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，為了獲得和測量濕度值，就必須對濕度的測量進行研究。本文介紹了一種新型多功能空氣濕 度計的原理和測量方法，采用CHR01濕敏電阻作為濕度敏感元件，設(shè)計出溫濕度檢測模塊來測量空氣中的溫濕度值。運用單片機對經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化后的測量信號進行運算處理， 再由LED顯示模塊顯示出當前空氣溫濕度值，并通過語音報警模塊對其進行實時 監(jiān)控。同時，還對傳感器進行非線性補償，對測量數(shù)據(jù)進行修正以減少測量誤差。本文在設(shè)計過程中主要做了以下幾個方面的工作：一是討論并選擇系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；二 是對傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機進行設(shè)計和選擇；三是對單片機及其接口進行電路及軟件的設(shè)計。實驗測試結(jié)果表明 ：該空氣濕度計的性能指標基本達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：濕度；濕敏電 阻；AD轉(zhuǎn)換器；單片機；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。有絕對濕度、相對濕度、露點等多種表示方式。絕對濕度是單位體積 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)來表示。對于干燥過程的控制熱平衡的調(diào)整等，都必須了解絕對濕度。相對濕度為空氣中實際所含水 蒸汽的 密度與同溫 度下飽和水 蒸汽密度的百分比，它是一個無量綱的數(shù)。在貯存或加工與 周圍空氣處于濕度平衡的材料時，相對濕度有著很大的意義。空氣在一定溫度時只能吸收一定量的水汽， 空氣中的水蒸氣 達到飽和狀 態(tài)時的溫度，叫做露點溫度。研究表明：濕潤的空氣才 能保持生機盎然 。為防止家具、木質(zhì)裝修、書籍或樂器老化、變形甚至干 裂的情況出 現(xiàn)，儲存以上物品時室內(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， 靜電更是無處不在。嚴重的靜電會使人心情煩躁、頭暈胸悶、喉鼻不適。只有檢測出空氣濕度后，才能 運用相 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?？梢娍諝鉂穸鹊臋z測對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)測在人們現(xiàn)實生活生產(chǎn)中應(yīng)用已日漸廣泛，在發(fā)電廠、紡織、食品、醫(yī)藥、建筑、倉庫、農(nóng)業(yè)大棚等 眾多的應(yīng)用場所，對溫度、濕度參量的要求都非常嚴格，因此能否有效對這些領(lǐng)域的溫 、濕度數(shù)據(jù)進行實時 監(jiān)測和控制是一個必須解決的重要前提。本課題即以上述問題為出發(fā)點 ，設(shè)計實現(xiàn)了 對空氣溫度、濕度的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測出當前空氣的溫濕 度，并當濕度超出用戶設(shè)定的濕度值時，進行自動報警。 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，而我國在傳感器研 究方面科研 投資強度偏 低，科研設(shè)備落后，加之我國存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉(zhuǎn)化，造成了我國傳感器產(chǎn)品綜合實力較低，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，由美國的達姆()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，高分子濕度傳感器優(yōu)異性能在國際上獲得了越來越多領(lǐng)域的承認，特 別是濕 度量程寬、響應(yīng)時 間短、濕滯回差小、制作簡單、成本低等優(yōu)點，成為其它濕度傳感器激烈的競爭對手。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。我國從1980年開始研制高分子濕 度傳感器。隨著應(yīng)用的深入和 擴大，我國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發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，可以預(yù)期：(1) 微機械加工技術(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)。它不僅可以制成簡單的三維結(jié)構(gòu)，而且可以做 成三維運動結(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)，具有劃時代微小體積、低成本、高可靠等獨特的優(yōu)點。(2) 新型敏感材料將加速開發(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，集成化、智能化傳感器與 變送器將會呈現(xiàn)暢銷勢。近年來，濕度傳感器的研究主要集中在感濕機理以及應(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、美國等國在濕度傳感器的 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高分子聚合物傳感器。由于濕度是比較難檢測 的物理量，而且檢測濕度時濕度傳感器必須直接暴露于待測環(huán)境中，因此至今還沒有制成抗污染 、長期穩(wěn)定可靠的濕 度傳感器。在今后比較長的一段時間內(nèi)，開發(fā)具有抗污染 性和長期穩(wěn)定性好的濕敏傳感器仍然是一項重要的研究課題。 本課題的主要研究內(nèi)容濕度的測量具有一定的復(fù)雜性， 人們熟知的毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計等己不能滿足現(xiàn)代要求的實際需要，為此，人們研制了各種濕度傳感器 。濕度按照其測量的原理，一般可分為電容型、電阻型、離子敏型、光強型、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測定相對濕度，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)所用的吸濕材料來分：① 固體電解質(zhì)濕度傳感器② 高分子有機物濕度傳感器③ 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器等。 本設(shè)計以CHR01阻抗型高分子濕敏電阻作為濕敏元件來獲取濕度信號，從而完成對空氣濕度的測量。同時以溫度傳感器LM35來實現(xiàn)對空氣溫度的檢測。通過研究分析，本設(shè)計分別采用CHR0LM35為濕度、溫度敏感元件來完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集。本文主要闡述了如何選擇和設(shè)計溫濕度模塊、A/D模塊、LED顯示模塊、語音報警等方面的問題，以及如何對傳感器檢測的信號進行非線性補償，和標度的變化。最后以單片機為核心通過硬件結(jié)合軟件的方法將檢測出來的信號由LED顯示器直觀地顯示出來。2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計思路及原則本課題的總體思路是：在現(xiàn)有實驗條件下，應(yīng)用較常見元件自行設(shè)計溫濕度檢測電路，通用該電路采集到的溫濕度信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號，然后利用AT89S51單片機，通過LED顯示出當前空氣中的溫濕度值，當溫濕度超出用戶設(shè)定的范圍時，自動執(zhí)行語音報警。系統(tǒng)設(shè)計原則具體如下：(1) 測控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、濕度值2路輸出。(2) 硬件設(shè)計在滿足功能要求的前提下，要留有余地，易于功能擴展。(3) 軟件設(shè)計采用模塊化，以利于調(diào)試、連接和開發(fā)。盡量以軟代硬，簡化電路。(4) 要求實用化，簡易化，易于操作和維護，可靠性，穩(wěn)定性較高。(5) 盡可能選用成熟電路，元器件國產(chǎn)化，以求降低系統(tǒng)造價獲得較高的性價比。 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)工作原理 本系統(tǒng)是通過濕度傳感器將空氣中的濕度值轉(zhuǎn)化為電信號，利用AT89S51單片機作為系統(tǒng)的總控模塊，AT89S51單片機可把由溫濕度檢測電路檢測出的電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)利用軟件計算出溫濕度，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實現(xiàn)溫度、濕度的顯示；然后通過串口把溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硗庖黄珹T89S51單片機上，用戶通過按鍵自行設(shè)置溫濕度的報警值，當溫度或濕度值超出用戶設(shè)定的范圍時，本系統(tǒng)可以自動執(zhí)行語音報警。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖整個測控系統(tǒng)由信息數(shù)據(jù)的采集、單片機控制和數(shù)據(jù)輸出三部分構(gòu)成。在設(shè)計本系統(tǒng)硬件時，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)硬件單片機采用AT89S51單片機；(4)、語音播報采用ISD4002語音模塊；(5)、數(shù)碼管顯示電路模塊。：單片機（AT89S51）LED數(shù)字顯示模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊語 音模 塊溫濕度測量模塊 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)以AT89S51單片機為核心，信號數(shù)據(jù)的采集由設(shè)計的溫濕度模塊及傳感器信號處理轉(zhuǎn)換（A/D）電路構(gòu)成；數(shù)據(jù)輸出由LED數(shù)字顯示模塊和語音模塊來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的采集和輸出由軟件編程來協(xié)調(diào)控制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計本章主要介紹了溫濕度模塊設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、單片機模塊設(shè)計、LED數(shù)字顯示模塊設(shè)計和語音模塊設(shè)計等五個方面的內(nèi)容。讓我們詳細的了解了本系統(tǒng)中各個組成模塊的設(shè)計原理及作用，了解了各個模塊在整個系統(tǒng)中的作用。 溫濕度檢測模塊設(shè)計 濕度測量技術(shù)(1) 濕度測量方法濕度測量從原理上劃分有二、三十種之多。但濕度測量始終是世界計量領(lǐng)域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當復(fù)雜的物理化學(xué)理論分析和計算，初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。常見的濕度測量方法有：動態(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，平衡時間較長；分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段，這些設(shè)備可以做得相當精密，卻因設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標準計量之用，其測量精度可達177。2%RH以上。② 靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡6~8小時。③ 露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達177?！嫔踔粮?。但用現(xiàn)代光電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標準濕度發(fā)生器配套使用。④ 干濕球法是18世紀就發(fā)明的測濕方法，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將此條件簡化了，所以其準確度只有5~7%RH,干濕球法也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。⑤電子式濕度傳感器法，電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè)，近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。(2