【文章內(nèi)容簡介】 。本設計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。（一） 信號采集 由AD590、HM1500組成（二） 信號分析 由 A/D 轉換器 ADC080單片機 89C51 基本系統(tǒng)組成； （三） 信號處理 由顯示器和報警系統(tǒng)等組成 溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元 件。現(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測 量。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質 中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于50～180℃測溫。 方案二：采用AD590 ，AD590是美國AD公司生產(chǎn)的二端式集成溫度一電流傳感器，該器件體 積小、重量輕、性能穩(wěn)定，它的測溫范圍在55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測溫范圍內(nèi) 非線形誤差為177?！?。電源電壓范圍為4～30 V。當電源電壓在5～10 V之間，電壓穩(wěn)定度為1％ 時，其誤差只有177?！妗D590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。 使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，借口也 很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。 AD590的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案 二、方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 溫度傳感器 AD590：集成溫度傳感器 AD590 是美國模擬器件公司生產(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，通過對電流的測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如圖 32 所示 （a）封裝 (b)基本應用電路圖 32 （D）AD590 外形（圖 1）及電路符號（圖 2）流過器件的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即： I T/T=1μA /K 式中：IT—— 流過器件（AD590）的電流，單位μA。 T——熱力學溫度，單位 K。 AD590 的測溫范圍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 1μA， 相當于溫度變化 1K。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損壞。2 AD590 的工作原理: 在被測溫度一定時，AD590 相當于一個恒流源，把它和 5～30V 的直流電源相連，并在輸出端 串接一個 1kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將 會有 1mV／K 的電壓信號。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ΔUBE特性的集成 PN 結傳感器的感溫部分核心電路。其中 TT2 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；TT4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但 T3 實質上是由 n 個晶體管并聯(lián)而成，因而其結面積是 T4 的 n倍。T3 和 T4 的發(fā)射結電壓UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 對于 AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度 T 成正比，將此電流引至負載電阻 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，所以輸出信號不受電源電壓和導線 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 而在基準溫度下可得到 1μA／K 的 I 值。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 相當于圖33 中的TT2，而 T9，T11相當于圖 33 中的 TTRR6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調整之用。TT8，T10 為對稱的 Wilson 電路，用來提高阻抗。TT12 和 T10 為啟動電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。T6 可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。T1～T4 是為熱效應而設計的連接防式。而 C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得 T9，T10，T11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流 I 的 1 ／3。T9 和 T11 的發(fā)射結面積比為 8：1，T10 和 T11 的發(fā)射結面積相等。 根據(jù)上式不難看出，要想改變 ΔUBE，可以在調整 R5 后再調整 R6，而增大 R5 的效果和減小 R6 是一樣的，其結果都會使 ΔUBE減小，不過，改變 R5 對 ΔUBE的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正 R5 以進行粗調，修正 R6 以實現(xiàn)細調，最終使其在 250℃ 之下使總電流 I 達到 1μA／K。 二． 基本應用電路 圖 35 是 AD590 用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過 AD590 的電流與熱力學溫度成正比，當電阻 R1和電位器 R2的電阻之和為 1kΩ時，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，因此應對電路進行調整，調整的方法為：把 AD590 放于 冰水混合物中，調整電位器 R2，使 V0=+25=（mV）。但這樣調整只保證在 0℃或 25℃附 近有較高的精度。圖 35 AD590 應用電路三． 攝氏溫度測量電路： 如圖 35 所示，電位器 R2用于調整零點，R4用于調整運放 LF355 的增益。調整方法如下：在 0℃時調整 R2，使輸出 V0=0，然后在100℃時調整 R4使 V0=100mV。如此反復調整多次，直至 0℃時，V0=0mV，100℃時 V0=100mV 為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為 25℃，那么 V0應為 25mV。 冰水混合物是 0℃環(huán)境，沸水為 100℃環(huán)境。溫度測量電路設計：考慮到AD590溫度傳感器的輸出電流源特性，設計的溫度信號測量電路如圖35 所示。該電 路的溫度測量范圍為10～+500℃。AD590 采用15V 電壓供電；電阻R1 用于調整零點；電阻R3為精密電阻，用來調整增益。，該電壓由TL431提供。IN端輸入AD590的電流，OUT端輸出為相應轉換所得到的電壓。根據(jù)AD590的特性，在10℃時，設計使這部分電流全部流過RR2，而其后增加的電流均流過R3，OUT端的輸出電壓為：當溫度在10～+50℃之間變化時，～0V之間反向線性變化，調節(jié)R1的阻值大小可以消除不同傳感器的零點誤差。圖36 溫度測量電路 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理化學性質的變化，間接地獲得該物質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)生變化而進行濕度測量的。 方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電 壓為交流 1V 以下，頻率為50HZ～1KHZ，測量濕度范圍為 0～100%RH，工作溫度范圍為 0～50℃， 阻抗在 75%RH（25℃）時為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，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)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設計系統(tǒng)中對溫度 30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。濕度傳感器 HM1500：由 HM1500／1520 型濕度傳感器和單片機構成的智能濕度測量儀電路如圖所示。該儀表采用 +5V 電源，配 4 只共陰極 LED 數(shù)碼管。電路中共使用了 3 片 IC：IC1 為 HM1500／1520 型濕度傳感 器，IC2 是由美國微芯片(Microchip)公司生產(chǎn)的帶 10 位 ADC 的單片機 PIC16F874，IC3 為 7 達林 頓反相驅動器陣列 MC1413。PIC16F874 是一種高性價比的 8 位單片機，內(nèi)含 8 路逐次逼近式 10 位 A／D 轉換器，最多可對 8 路濕度信號進行模數(shù)轉換，現(xiàn)僅用其中一路。JT 為 4MHz 石英晶體， 配上振蕩器電容 CC2 之后可為單片機提供 4MHz 時鐘頻率。PIC16F874 的電源電壓范圍較寬 (+2．5～+5V)，適合低壓供電，靜態(tài)電流小于 2mA。RA 口(RA0～RA7)為 I／O 接口，現(xiàn)利用 PA0(亦 稱 AIN0)口線來接收濕度傳感器所產(chǎn)生的電壓信號。PA1～PA4 輸出位掃描信號，經(jīng)過 MC1413 獲得反相后的位驅動信號。RB 口中的 RB0～RB6 輸出 7 段碼信號，接 LED 顯示器相應的筆段電極 a～ g。PIC16F874 還具有掉電保護功能，MCLR 為掉電復位鎖存端。當 UDD 從+5V 降至+4V 以下時，芯片就進入復位狀態(tài)。一旦電源電壓又恢復正常，必須經(jīng)過 72ms 的延遲時間才脫離復位狀態(tài)，轉入正常運行狀態(tài)。在掉電期間 RAM 中的數(shù)據(jù)保持不變，絕不會丟失。 一、特點 不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，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插件和自動裝配過程等。圖 37a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖 37b、濕度電容響應曲線。相對濕度在 0%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃?？梢娋仁禽^高的。 二、濕度測量電路 HM1500電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大 而增大。如何將電容的變化量準確地轉變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成 反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。 頻率輸出的 555 測量振蕩電路如圖 37 所示。集成定時器 555 芯片外接電阻 RR2 與濕敏 電容 C，構成了對 C 的充電回路。7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構成了對 C 的放電回路， 并將引腳 6 端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外， R3 是防止輸出短路的保護電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。其中，充放電時間為：因而，輸出的方波頻率為f=1/(t 放電+t 充電)=1/[ C（R4+R2）Ln2] 可見，空氣濕度通過 555 測量電路就轉變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表 31 給出了其中的一組典型測試值。濕度測量電路設計 ：集成濕度傳感器HM1500的輸出電壓在1～4 V間隨濕度線性變化，考慮到本系統(tǒng)的單電源特點，設計的濕度信號采集電路如圖 36 所示，該電路的測濕范圍為 0～100％圖 39 濕度測量電路由于該電路中沒有負壓，電路的主體采用差分式減法電路，精密電阻R8=R11 =，R9=R1