【正文】 成燒結(jié)薄膜或涂布薄膜 可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進(jìn)行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發(fā)或濺射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多 孔質(zhì)的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕范圍測濕的時間響應(yīng)速度較快，滯后誤差小，常用于高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優(yōu)點是固有電阻低，長期置于大氣環(huán) 境表面狀態(tài)不會變化，膠體粒子間相互吸引粘結(jié)緊密等。它是一種價廉物美，較早投入批量生產(chǎn)的濕敏元件，在濕度測量和濕度控制方面都有大量應(yīng)用。（4）半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器如 MgCr2O4TiO2濕敏傳感器．它們主要利用陶瓷燒結(jié)體微結(jié)晶表面在吸濕和脫濕過程中電極之間電阻的變化來檢測相對濕度。陶瓷燒結(jié)體微結(jié)晶表面對水分子進(jìn)行吸基于單片機(jī)的多功能智能窗的設(shè)計第 18 頁 共 61 頁濕或脫濕時，引起電極間電阻值隨相對濕度成指數(shù)變化，從而濕度信息轉(zhuǎn)化為電信號。這類傳感器適合于高溫和高濕環(huán)境中使用，也是目前在高溫環(huán)境中測濕的少數(shù)有效傳感器之一。（5）超聲波式濕度傳感器超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關(guān)，利用這一特性可制成超聲波式濕度傳感器。傳感器由超聲波氣 溫計和鉑絲電阻測溫計組成，前者的測量數(shù)據(jù)與濕度有關(guān)，后者的測量數(shù)據(jù)只與溫度有關(guān)，按照超聲波在干燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計算出空氣的絕對濕 度。超聲波濕度傳感器有很多優(yōu)點，它的測濕數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快，可以測出某一極小范圍的絕對濕度而不受輻射熱的影響。這種傳感器尚處于研制階段。（6）熱敏電阻式濕度傳感器利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻 R1 和 R2,電源供給的電流使 R R2 保持在 200℃左右的溫度。其中 R2 裝在密封的金屬盒內(nèi)，內(nèi)部封裝著干燥空氣，R1 置于與大氣相接觸的開孔金屬盒內(nèi)。將 R1 先置于干燥空氣中，調(diào)節(jié)電橋平衡，使輸出端 A、B 間電壓為零，當(dāng) R1 接觸待測含濕空氣時，含濕空氣與干燥空氣產(chǎn)生熱傳導(dǎo)差，使 R1 受冷卻，電阻值增高，A、B 間產(chǎn)生輸出電壓，其值與濕度變化有關(guān)。熱敏電阻式濕度傳感器的輸出電壓與絕對濕度成比例，因而可用于測量大氣的絕對濕度。傳感器是利用濕度與大氣導(dǎo)熱率之間的關(guān)系作為測量原理 的，當(dāng)大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時，測量結(jié)果會有程度不同的影響。此外，熱敏電阻的位置對測量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩(wěn)定性和不必 特殊維護(hù)等方面來看，很有特色，現(xiàn)已用于空調(diào)機(jī)濕度控制，或制成便攜式絕對濕度表、直讀式露點計、相對濕度計、水分計等。在本系統(tǒng)中考慮到用數(shù)字型濕度傳感器較用模擬型濕度傳感器電路簡單，可以省去 A/D 轉(zhuǎn)化模塊，所以這里采用的濕度傳感器為電阻式數(shù)字溫濕度傳感器 DHT11。下面將對 DHT11 進(jìn)行詳細(xì)介紹。 DHT11 工作原理DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù) ，確保產(chǎn)品具有極高可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測元件，并與一個高性能 8 位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 19 頁 共 61 頁優(yōu)點。每個 DHT1 傳感器都在極為精確的度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。 單線制串行接口，使系統(tǒng) 集變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá) 20 米以上，使成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳裝。連接方便。DHT11 溫濕度傳感器性能說明如表 31 所示：參數(shù) 條件 Min Typ Max 單位濕度1 1 1 %RH分辨率16 Bit重復(fù)性 177。1 %RH25℃ 177。4 %RH精度0－ 50℃ 177。5 %RH互換性 可完全互換0℃ 30 90 %RH25℃ 20 90 %RH量程范圍50℃ 20 80 %RH響應(yīng)時間1/e(63%)25℃，1m/s 空氣6 10 15 S 遲滯 177。1 %RH 長期穩(wěn)定性 典型值 177。1 %RH/yr溫度1 1 1 ℃分辨率16 16 16 Bit重復(fù)性 177。1 ℃ 精度 177。1 177。2 ℃ 量程范圍 0 50 ℃基于單片機(jī)的多功能智能窗的設(shè)計第 20 頁 共 61 頁 響應(yīng)時間 1/e(63) 6 30 S表 31 DHT11 溫濕度傳感器性能DHT11 的數(shù)據(jù)讀取： DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間 4ms 左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：　一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit,高位先出。 數(shù)據(jù)格式：8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 校驗和。數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末 8 位。 用戶 MCU 發(fā)送一次開始信號后，DHT11 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號，送出 40bit 的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11 接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11 不會主動進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待 DHT11 響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于 18 毫秒，保證 DHT11 能檢測到起始信號。DHT11 接收到主機(jī)的開始信號后，等待主機(jī)開始信號結(jié)束,然后發(fā)送 80us 低電平響應(yīng)信號。主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待 2040us 后，讀取 DHT11 的響應(yīng)信號,主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。圖 310 總信號表示方法華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 21 頁 共 61 頁總線為低電平，說明 DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一 bit 數(shù)據(jù)都以 50us 低電平時隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是 0 還是 1。格式見下面圖示。如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則 DHT11 沒有響應(yīng)，請檢查線路是否連接正常。當(dāng)最后一 bit 數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11 拉低總線 50us，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)?！D 311 數(shù)字 0 信號表示方法 　　圖 312 數(shù)字 1 信號表示方法由于采用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，電路不用考慮 A/D 轉(zhuǎn)換，也不需要放大電路的設(shè)計，所以濕度檢測電路模塊相比其他模塊來講比較簡單，不需要考慮放大電路環(huán)節(jié)的具體電路設(shè)計，只需設(shè)計指定 DATA 與數(shù)字傳感器相連即可，此模塊的電路原理圖如圖 313 所示：基于單片機(jī)的多功能智能窗的設(shè)計第 22 頁 共 61 頁圖 313 濕度檢測電路圖 風(fēng)速檢測電路設(shè)計風(fēng)速是本系統(tǒng)需要采集的一個參數(shù)，由于機(jī)械式的風(fēng)速傳感器響應(yīng)時間比較長，體積大，而且價格比較貴，要在窗體外邊裝置一個體積大的機(jī)械式風(fēng)速傳感器不但影響美觀且造價較高，考慮到本課題研究的多功能智能窗是在原有窗體上進(jìn)行改裝，不需要把窗體外形變動特別大。因此風(fēng)速檢測電路模塊要電路簡單，精度高，體積小，成本低，容易實現(xiàn)。 風(fēng)速檢測電路設(shè)計思路按照本設(shè)計的要求，風(fēng)速檢測電路模塊實現(xiàn)的功能是：當(dāng)系統(tǒng)檢測到室外風(fēng)速大于 8m/s 時，系統(tǒng)能夠驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)帶動窗體實現(xiàn)關(guān)閉窗戶的功能，避免大風(fēng)將風(fēng)沙吹入室內(nèi)。本模塊的具體工作流程為：壓力傳感器把風(fēng)對它的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，這個電信號是很微弱的，需要經(jīng)過放大處理得到一個大的電壓值，由于此電壓值為模擬量，因此需要在放大電路與單片機(jī)之間接入 A/D 轉(zhuǎn)化模塊，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，與事先設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，如果傳輸來的數(shù)據(jù)大于閾值，則單片機(jī)會驅(qū)動電機(jī)，使電機(jī)帶動窗體運(yùn)動，實現(xiàn)關(guān)窗功能。 常見風(fēng)速傳感器介紹風(fēng)速傳感器是將空氣的流動速度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應(yīng)關(guān)系的輸出信號的裝置。下面將對幾種風(fēng)速傳感器進(jìn)行簡單介紹：（1）風(fēng)杯式風(fēng)速計：它是最常見的一種風(fēng)速計。轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速計最早由英國 VCGNDR95kAT24SK3H華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 23 頁 共 61 頁(1846)，當(dāng)時是四杯,后來改用三杯。三個互成120 度固定在架上的拋物形或半球形的空杯都順一面，整個架子連同風(fēng)杯裝在一個可以自由轉(zhuǎn)動的軸上。在風(fēng)力的作用下風(fēng)杯繞軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。轉(zhuǎn)速可以用電觸點、測速發(fā)電機(jī)或光電計數(shù)器等記錄。當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時，通過主軸帶動多齒轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使下面光敏三極管接收上面發(fā)光二極管照射下來的光線，處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，形成與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的頻率信號，通過計數(shù)器計數(shù)，換算后得到實際風(fēng)速值。 （2）熱敏式風(fēng)速計：基于熱原理的硅風(fēng)速傳感器，在流體中存在一個熱源，通過測量熱源周圍的溫度場分布或熱源的熱損失，來得到關(guān)于流體的信息。硅的熱流量傳感器有三種工作原理分別為熱損失型風(fēng)速傳感器，熱溫差型風(fēng)速傳感器以及熱脈沖型風(fēng)速傳感器熱損失型風(fēng)速傳感器一般含有一個單元，其同時作為加熱單元和測溫單元，熱損失型風(fēng)速傳感器測量單個加熱單元的總的熱損失量。因為大多數(shù)材料的電阻率隨溫度而變化，所以，可以通過測量電阻的變化反映風(fēng)速的大小。熱損失型風(fēng)速傳感器可以工作在恒功率和恒溫差兩種工作方式。在恒功率下，通過測量加熱單元的溫度而得到風(fēng)速大小，恒功率的反應(yīng)時間取決于加熱單元的熱電容和傳熱速率。熱溫差型一般含有一個加熱單元和兩個對稱的測溫單元，當(dāng)加熱表面被不一致的冷卻時，對稱測溫單元能測量對稱點的溫度，其溫度差和風(fēng)速成一定的函數(shù)關(guān)系，同時溫差的正負(fù)符號反映風(fēng)向的信息；熱脈沖型則通過測量脈沖在流體中傳輸速度反映流體的速度。熱線風(fēng)速計在小風(fēng)速時靈敏度較高，適用于對小風(fēng)速測量。（3）皮托管式風(fēng)速計：標(biāo)準(zhǔn)皮托管是一根彎成直角的金屬細(xì)管,它由感測頭、外管、內(nèi)管、管柱與全壓、靜壓引出導(dǎo)管等組成。在皮托管頭部的頂端,迎著來流開有一個小孔,小孔平面與流體流動方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方,環(huán)繞管壁的外側(cè)又開了多個小孔,流體流動的方向與這些小孔的孔面相切。頂端的小孔與側(cè)面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進(jìn)入皮托管頂端小孔的氣流壓力(稱為全壓) ,除了流體本身的靜壓,還含有流體滯止后由動能轉(zhuǎn)變來的那部分壓力,而進(jìn)入皮托管側(cè)面小孔的氣流壓力僅僅是流體的靜壓,根據(jù)全壓和靜壓即可求出動壓,從而求出流體的流速。（4）超聲波式風(fēng)速計：當(dāng)超聲波在空氣中傳播時，受到風(fēng)速的影響，順風(fēng)和逆風(fēng)情況下存在一個時間差，基于這個原理可制成的時差法超聲波風(fēng)速測量儀表。采用超聲波進(jìn)行氣體流速測量可基于單片機(jī)的多功能智能窗的設(shè)計第 24 頁 共 61 頁以采用三種形式時差法、多普勒法和渦街風(fēng)速測量。時差法是根據(jù)超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算流速的，最早應(yīng)用于超聲波流量計，它適用于大、中口徑管道及敞開水道流量的測量，此法受溫度影響比較大。多普勒法適用于不潔凈流體的測量，而渦街法適用于管道流體流速的測量。（5） 壓力式風(fēng)速計: 當(dāng)風(fēng)在傳播過程中，對阻礙它前進(jìn)的物體會有一個壓力，利用風(fēng)對阻礙它傳播而產(chǎn)生的壓力可以制成一個壓力傳感器。壓力傳感器把風(fēng)對它的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)電信號的大小來求出風(fēng)速的大小。(6)光電式風(fēng)速計:光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。當(dāng)風(fēng)在傳播時，風(fēng)速帶動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，光電碼盤與電動機(jī)同軸，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而求出風(fēng)速值。 SM5551001D工作原理由于風(fēng)的壓力是小于2KP的，所以要選用一個微壓傳感器，本系統(tǒng)所用的傳感器類型即為壓力傳感器。這里選用美國的SMI系列硅微壓傳感器SM5551001D。硅微壓傳感器是當(dāng)今傳感器發(fā)展的前沿技術(shù)，硅半導(dǎo)體傳感器因其體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等優(yōu)點得到廣泛的應(yīng)用。能敏感微小被測量，可制成血壓壓力傳感器。SMI 硅微壓傳感器是價位低、線性度在 %到 %范圍內(nèi)的硅微壓力傳感器，最低滿量程 (1KPa)被列為超低壓力測量范圍。其以硅為材料制成，具有獨特的三維結(jié)構(gòu)，采用輕細(xì)微機(jī)械加工和多次蝕刻制成惠斯通電橋于硅膜片上，當(dāng)硅片上方受力時產(chǎn)生變形，電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)而失去電橋平衡，輸出與壓力成比例的電信號。SM5551001D壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)換成電壓的器件，可用于測量壓力、位移等物理量。此壓力傳感器的量程是2KP，輸入電壓是5V，最大電壓時10V，最大輸出電流是3mA。它的輸出電壓是25mv到75mv。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 25 頁 共 61 頁SM5551001D特性：（1）無需校準(zhǔn)即能提供線性度優(yōu)于1%的傳感信號，因此是一種性能優(yōu)越、集成化的單片硅器件。（2）使用了一套專門設(shè)計的軟件由計算機(jī)對傳感器作靜態(tài)和動