【文章內(nèi)容簡介】 1虛線部分所示，相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)〔 1 9 3 濕度傳感器構(gòu)成的單元測量微分電路由濕度傳感器Zc 與反饋電阻R : 構(gòu)成了一個(gè)有源微分電路。輸入信號(hào)V 。 。 在經(jīng)過該電路后受反饋電阻和濕度傳感器的影響形成輸出電壓氣 u。濕度傳感器的等效形式及其構(gòu)成的單元測量微分電路 （31）而 （32）將（31）代入（32）寫可得) (33)根據(jù)上式可得： （34） （35）令： （36）由于： Q= （37）根據(jù)（36），（37）可得 Q= （38） 即品質(zhì)因數(shù)Q的值為微分電路輸出的復(fù)數(shù)電壓虛部和實(shí)部的比值。所以 對Q值的 測量就轉(zhuǎn)換 成對微分電 路輸出的 復(fù)數(shù)電 壓虛部和實(shí) 部的測量 。 圖 3 2是電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法測量的具體測量電路，其電路組成包括三個(gè)部分:微分電路、反相電路和積分電路。 正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào) 經(jīng)過微分電路( 濕度傳感器含在此電路中) 后， 信號(hào)變成氣 ，對于氣 的輸出， 分成兩路，一路直接經(jīng)電子開關(guān)K1 后進(jìn)入積分電 路，另一路先經(jīng)過反 相電路， 使 得輸出為。經(jīng)過電子開關(guān) Kz后，也同樣進(jìn)入積分電路。單片機(jī)電路用來控制濕度傳感器通道的切換、電子開關(guān)K1 , K2 : 的閉合與斷開和積分電路數(shù)據(jù)的采集與處理等。 如下圖 3 3是電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法在上述測量電路中的波形圖，( a ) 表示正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波波形 。 ( b ) 表示經(jīng)過微分電路后相位發(fā)生了偏移的正弦波波形, ( C ) 為對電容的實(shí)部進(jìn)行整流后的波形。( d)為對電容的虛部進(jìn)行整流后的波形。其中( b ) , ( c ) , ( d )左圖為將濕度傳感器等效成電容的理想情況， 比 偏移等于一 的波形，右圖為實(shí)際濕度傳感器的測試結(jié)果， 比 偏移小于一 的波形。圖32 電容式濕度傳感器復(fù)數(shù)電壓法測量電路 從右圖實(shí)際濕度傳感器的測試結(jié)果中，可以看出，進(jìn)行虛部測量時(shí)的積分區(qū)間為（0T/2），進(jìn)行實(shí)部測量的積分區(qū)間為（T/4~3T/4）。 先看實(shí)部積分的情況，輸入信號(hào)，以此時(shí)間為基準(zhǔn)，則輸出的相位延遲T/4（即），在T/4至3T/4時(shí)間內(nèi)，K1導(dǎo)通K2斷開，對輸出進(jìn)行積分，在3T/4至5T/4時(shí)間內(nèi)，K2導(dǎo)通，K1斷開，對進(jìn)行積分，由于和幅值相同，方向相反，所以倆個(gè)時(shí)間段的積分值相同。 利用積分的對稱性，實(shí)部積分值為，表達(dá)式為： （39）其中：積分電阻，：積分電容，將式（33）式實(shí)部部分帶入（39）： （310）又帶入式（310）可得： （311）根據(jù)（311）式，即可求出實(shí)部積分的值。對虛部進(jìn)行積分時(shí)，只要將式（32）虛部部分帶入，將積分區(qū)間改成（0~T/2）即可，虛部積分值為，有： （312）此表達(dá)式即測出虛部積分的值。同時(shí)，電容量C的測量也包含在此表達(dá)式中。由于上式（312）替換為： （313）令 （314）所以，K為常數(shù)，有： （315）可以看出，K為常數(shù)，虛部測量和電容C成正比，對虛部電壓的測量完成了電容值C的測量。在上面的公式推導(dǎo)過程中，式（311），（312）直接測出，的值，根據(jù)（314）,(315)的公式推導(dǎo)，可求出電容值C，根據(jù)公式（38）Q=，可求出品質(zhì)參數(shù)值Q，至此，復(fù)數(shù)電壓法電容式濕度傳感器性能測試數(shù)學(xué)模型建立完成。 基于DS P技術(shù)的復(fù)數(shù)電壓法測試數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 以上是采用模擬技術(shù)完成C, Q測量的方法，高速 D S P芯片的出現(xiàn)使我們可以運(yùn)用求和運(yùn)算代替上述的積分運(yùn)算，采樣的時(shí)間段和積分時(shí)間段相同，將積分運(yùn)算轉(zhuǎn)變成核心電路的內(nèi)部求和運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)過修正后，即是要測量實(shí)部和虛部的值。 進(jìn)行虛部測量時(shí)，和上述積分時(shí)間段相同，在T / 4 至3 T / 4 時(shí)間段內(nèi)，對輸出進(jìn)行采樣，在3 T / 4 至5 T / 4 時(shí)間內(nèi)，對 進(jìn)行采樣，由 于 ，方向相反，所以兩個(gè)時(shí)間段的采樣值相同其表達(dá)式如下: （316）式中：n—總共采樣的周期個(gè)數(shù) 虛部測量值 修正值單次采樣結(jié)果： 由（313），（315）的推導(dǎo)，可得：= ( 317)式中：電容值C的修正系數(shù)。由式（317）可見，虛部測量值正比于電容C的值，所以由 得值可以完成電容值C的測量值。進(jìn)行實(shí)部測量時(shí)，將采樣時(shí)間的起點(diǎn)改在T/2時(shí)刻，在dsp控制下，在T/2至T時(shí)間段內(nèi)，對輸出 進(jìn)行采樣，在T至3T/2時(shí)間內(nèi)，對進(jìn)行采樣，由于和幅值相同，方向相反，所以兩個(gè)時(shí)間段的采樣值相同，表達(dá)式和虛部測量類似。 (318) 式中：實(shí)部測量值 修正系數(shù) 由式（38）可知：Q=，即可求出品質(zhì)參數(shù)的值。 至此，兩個(gè)參數(shù)C,Q都已求出。完成了濕度傳感器的測量。 硬件模塊的實(shí)現(xiàn)方案 在本信息采集系統(tǒng) 硬件模塊中， 從功能 部件分，可以分為濕度源、 測控電路、通信接口三個(gè)部分。 從系統(tǒng)的角度來看，各個(gè)模塊在系統(tǒng)中都不是相互獨(dú)立的，而是一個(gè)統(tǒng)一的整體，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們必須理清模塊間的從屬關(guān)系、數(shù)據(jù)流向和控制過程。如圖 3 4 ，以測控電路為核心，控制濕度源通道的選擇，將數(shù)據(jù)采集處理后，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過串口通訊發(fā)送到上位機(jī) 濕度源模塊 核心測控電路模塊 串口通訊模塊。溫度源模塊核心測控電路模塊串口通訊模塊 圖3 4硬件設(shè)計(jì)模塊框圖 圖3 5 是使用MC U 5 1 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的過程，外部正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)經(jīng)過濕度傳感器后，經(jīng)過調(diào)試電路，送往單片機(jī)的A / D轉(zhuǎn)換通道，數(shù)據(jù)采樣處理后的結(jié)果經(jīng)過處理后，送往串口，由上位機(jī)顯示出測量值。溫度源MCU51單片機(jī)串口正弦波發(fā)生器信號(hào)源圖35以MCU51為核心的測量電路的實(shí)現(xiàn)過程圖3 6是采用D S P為核心的測量電路框圖，同上面5 1單片機(jī)測量過程相同，不同之處是少掉了正弦波發(fā)生器電路模塊，由于D S P是高速芯片，利用同步串口送出數(shù)字正弦波數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過D / A轉(zhuǎn)換芯片之后，產(chǎn)生測量所需的正弦波，這個(gè)正弦波經(jīng)過濕度傳感器后，再經(jīng)過一系列的電路處理后，由D S P的 A/ D采樣，數(shù)據(jù)采樣處理后的結(jié)果送往串口，由上位機(jī)顯示出測量值。溫度源DSP處理器串口信號(hào)源信號(hào)源 圖36 以DSP為核心的測量電路的實(shí)現(xiàn)過程為了實(shí)現(xiàn)對濕度傳感器測試的高速自動(dòng)化測量，需要選擇適當(dāng)?shù)目刂破骱臀⑻幚砥?。考慮的問題有:能否產(chǎn)生較好的信號(hào)源 ( 最好頻率可調(diào)) 。能否實(shí)現(xiàn)對連續(xù)信號(hào)的積分值的運(yùn)算或可以高速的A / D采樣。能夠?qū)崿F(xiàn)高速測量。程序存儲(chǔ)器有著較大的空間 基于以上幾點(diǎn)考慮，選用DS P芯片，它有以下幾方面的優(yōu)勢:1. 利用 D S P的高速接口產(chǎn)生正弦波，不用外加正弦波發(fā)生器，減少了誤差環(huán)節(jié)。2. 使用求和運(yùn)算代替積分運(yùn)算，電路設(shè)計(jì)簡單，簡化了固件編程的代碼量:3. DS P本身自帶3 2 k FLASH，可擴(kuò)展 32 k程序存儲(chǔ)器，32 k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，不用仿真，程序直接下載運(yùn)行，極大地方便了固件的調(diào)試。4. 系統(tǒng)模塊的減少，大大提高系統(tǒng)的可靠性。 采用了Texas Instruments的高速DS P處理芯片TMS320LF2407A作為主控’器件，用來完成整個(gè)系統(tǒng)的控制、測量、運(yùn)算，輸出以及與上位機(jī)的通信。充分利用了高速 DS P處理芯片的特點(diǎn)，采用 DSP通過 SPI( 串行外設(shè)接口)給D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX5722發(fā)送產(chǎn)生正弦波所需的數(shù)據(jù)的方法來產(chǎn)生測試電容器件所需的正弦波，利用TMS320LF2407A自身帶的A/ D對加在濕度傳感器的正弦信號(hào)進(jìn)行高速的采樣，采樣頻率為 4 0 0 K Hz 。通過對不同周期的信號(hào)進(jìn)行采樣并作累加運(yùn)算，相當(dāng)于對該區(qū)間進(jìn)行積分，根據(jù)前面所述測試原理即可計(jì)算出電容式濕度傳感器的性能參數(shù):Q，C值。在此方案中需要重點(diǎn)注意的問題是對信號(hào)采樣需要嚴(yán)格的統(tǒng)一起點(diǎn)或者起始區(qū)間。在實(shí)際的測量中，如果采樣區(qū)間的不統(tǒng)一將造成數(shù)據(jù)有著很大的誤差，甚至出現(xiàn)結(jié)果誤判的情況。這需要嚴(yán)格計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間和對整個(gè)流程有著嚴(yán)格的分。 通訊方式方案選擇 在現(xiàn)代的測試系統(tǒng)中，依靠上位機(jī)高速的處理器和海量存儲(chǔ)器來計(jì)算和保存數(shù)據(jù)已成為一種趨勢，目前，與上位機(jī)通訊常用的通訊方式有 R S 2 3 2串行通信總線和通用串行總線US B. U S E總線的優(yōu)點(diǎn)如下: 。連接外設(shè)不必再打開機(jī)箱。允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。 。接口的最高傳輸率可達(dá) 1 2 Mb / s 。也可提供低速方式，速率為1 .5 Mb / s。扣除用于總線狀態(tài)控制和錯(cuò)誤檢測等數(shù)據(jù)傳輸， Mb / s Mb/s 。 。一個(gè)USE口理論上可以連接 127個(gè)USE設(shè)備。連接的方式也十分靈活，既可以使用設(shè)備串行連接，也可以使用集線器Hub ，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的USE口相接。 4，獨(dú)立供電。USE接口提供了內(nèi)置電源。 現(xiàn)在越來越多的PC機(jī)上都具有了USE接口，而在本系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性有著嚴(yán)格的要求，而且數(shù)據(jù)量較大。USE集線器提供5V/ 500 mA電源，足以直接支持一些小型儀器工作。它可以有效彌補(bǔ)了以往接口方式的不足，簡了設(shè)備的連接和配置。它可以把多種外圍設(shè)備連接到同一個(gè)連接器上消除系統(tǒng)沖突，連接簡單，以較低的成本實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和測控設(shè)備的連接RS232串行通信是目前使用普遍的串行通信總線接口，使用方便，價(jià)格便宜，市場占有率比較高。同時(shí)，由于TMS320LF2407A本身自帶RS232串口，考慮到系統(tǒng)使用的靈活性，也將其放到設(shè)計(jì)之中。 綜上所述，結(jié)合本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送量選用USB和RS232接口兩種接口作為通訊方式，使用靈活，USB選用了PHIIP公司的PDIUSBDI2芯片，是一種比較常用的接口芯片。 總體方案設(shè)計(jì) 由以上的分析，本系統(tǒng)的電路模塊設(shè)計(jì)框圖圖如圖3 7所示?，F(xiàn)對該圖做簡短說明:在該系統(tǒng)中由控制器T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A通過 S P I 給外部 D / A器件MA X 5 7 2 2提供波形數(shù)據(jù)來產(chǎn)生 1 K H z正弦波作為測試激勵(lì)信號(hào)，由電子開關(guān)選擇通道后，這個(gè)正弦波信號(hào)經(jīng)過濕度傳感器，再經(jīng)過一系列的電路處理后，由D S P的A / D采樣，完成測量的全過程。濕度源提供測試環(huán)境需要的標(biāo)準(zhǔn)濕度環(huán)境，濕度源設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的精度，故須選用高精度的濕度源，減小在該環(huán)節(jié)的誤差。整個(gè)系統(tǒng)的控制、測量以及運(yùn)算由T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 處理。處理的結(jié)果通過串口電路傳給上位機(jī)，同時(shí)接收從上位機(jī)的信息。滿足了對濕度傳感器的高精度和高速測量的要求。測控電路實(shí)現(xiàn)正弦波數(shù)字信號(hào)的傳送，對傳感器輸入信號(hào)的檢測、調(diào)理和控制功能。實(shí)現(xiàn)了對電容式濕度傳感器C值、Q值的測量。這部分設(shè)計(jì)電路同時(shí)還要考慮對于散雜小電容干擾的消除和批量測試中通道選擇的問題。TMS320LF2407ADSP核心芯片控制電路D12USB或232通訊接口電路PC機(jī)多路開關(guān)控制板溫度源 圖37電路模版設(shè)計(jì)框圖 多通道濕度傳感器的的自動(dòng)測試，是本系統(tǒng)解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。該項(xiàng)技術(shù)將解決以往濕度傳感器測試過程繁瑣、測試元件數(shù)量少、測試周期長的問題。對濕度源的控制和對濕度傳感器的測試分開進(jìn)行，增加了系統(tǒng)測試的復(fù)雜程度，操作人員需要手工控制濕度循環(huán)時(shí)間和濕度平衡時(shí)間，然后操作測試儀器對濕度傳感器進(jìn)行測試。在本系統(tǒng)中，利用弱電對強(qiáng)電的控制電路，通過計(jì)算機(jī)的控制面板，可以實(shí)現(xiàn)對濕度箱濕度源的自 動(dòng)切換，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)際上把原來濕度箱和測試電路分離控制改進(jìn)成為有控制軟件統(tǒng)一協(xié)調(diào)，提高了自 動(dòng)化程度，提高了測試的效率。四 濕度源設(shè)計(jì) 濕度是影響我們生活環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)，人們越來越關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量。適當(dāng)?shù)臏貪穸拳h(huán)境，使人們感覺舒適。過高或者過低的濕度，則會(huì)引起人們感覺不適。濕度測量為我們提供了控制這種影響的機(jī)會(huì)。一個(gè)穩(wěn)定的濕度源對測試系統(tǒng)的好壞起著決定性的作用。 眾所周知，空氣是由氮?dú)?、氧氣、二氧化碳?xì)怏w及少量的稀有氣體和水汽組成。一般的情況下，空氣中的氮?dú)?，二氧化碳?xì)怏w及稀有氣體的成份比較固定，而水汽的含量則會(huì)經(jīng)常變化。水汽在空氣中的含量就夠成了濕度 我們經(jīng)常說我國的北方的空氣比南方的空氣干燥，其實(shí)就是指南方的環(huán)境比北方的環(huán)境濕度大。濕度跟環(huán)境、地理位置等都有關(guān)系。地球的三分之二是由水組成，水是一切生物和有機(jī)體賴以生存的物質(zhì)，只要有水和生物的地方，其周圍的空氣中或多或少的含有水汽，這是因?yàn)樗梢灾苯訌囊后w變化成氣體，這種現(xiàn)象我們稱之為汽化。汽化的方式有蒸發(fā)和沸騰兩種，一種是氣體的自由表面作為氣一液的分界面的汽化過程稱為蒸發(fā)，如大海、江湖、池塘等表面的汽化。另一種界面在氣體內(nèi)部與氣泡之間則成為沸騰，如開水的汽化。汽化過程與溫度、壓力、表面積和水中的雜質(zhì)有關(guān)。溫度高則汽化快，壓力大則汽化慢，表面積大則汽化容易，氣體中如含有油則汽化慢。在濕度測量中大多數(shù)屬于蒸發(fā)過程，如干濕球濕度計(jì)， 用濕球表面水分的蒸發(fā)來測量環(huán)境濕度，某些濕度發(fā)生器中制備飽和濕氣的過程等等。我們此次設(shè)計(jì)也主要用此原理。空氣中的水汽