【正文】 測量準(zhǔn)確的溫濕度測量儀。對于測量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測信號是其核心任務(wù)；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度8/11/2020 3 3 變化的特性制成的測溫元件。 其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量。 缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。（ ℃+ |t|）， B級為177。 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(zhì)中使用穩(wěn)定性差。 方案二：采用 AD590，它的測溫范圍在 55℃～ +150℃之間，而且精度高 。 ℃。使用可靠。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(qiáng)的抗外界干擾能力。 綜合比較 方案一與方案二 ， 方案二 更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇 。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(jìn)行濕度測量的。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)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 。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。 HS1100/HS1101電容傳8/11/2020 4 4 感器，在電路構(gòu)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。 相對濕度在 1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由 16pF變到 200pF，其誤差不大于177。可見精度是較高的。而且還不具備在本設(shè)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(shè)計的濕度傳感器。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道?？傮w成本可以作得較低。 （ 3） 軟件簡單，各通道可以獨立編程。 這種結(jié)構(gòu)的模擬 量通道特點為： （ 1） 對 ADC、 S/H要求高。 （ 3） 硬件簡單，成本低。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。 A D 5 9 0溫 度 檢 測C D4 0 5 1多 路開 關(guān)H S 1 1 0 0濕 度 檢 測 M C 1 4 4 3 3A / D 轉(zhuǎn) 換單 片 機(jī)串 行 口L E D 顯 示報 警 電 路C D4 0 5 1多 路開 關(guān) 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號 處理 三個部分組成的。 3． 1 信號采集 3． 1． 1 溫度傳感器 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。根據(jù)特性分擋， AD590 的后綴以 I， J， K， L， M表示。集成溫度傳感器的電路符號如圖 32 所示。 T—— 熱力學(xué)溫度，單位 K。 AD590的電源電壓范圍為 4V30V。 AD590 可以承受 44V 正向電8/11/2020 7 7 壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。 精度高。 ℃。其基本電路如圖 33所示。其中 T T2 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；T T4 是感溫用的晶體 管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實質(zhì)上是由 n個晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n倍。因此，電流 I1 為： I1＝Δ UBE／ R＝（ KT／ q）（ lnn）／ R 對于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻 RL上便可得到與 T成正比的輸出電壓。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(zhǔn)溫度下可得到 1μ A／ K的 I值。 R R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào) 整之用。 T T12 和 T10為啟動電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。R1， R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。而 C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比為 8： 1， T10 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。 根據(jù)上式不難看出，要想改變Δ UBE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5 的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會使Δ UBE減小，不過，改變 R5 對Δ UBE的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。 二． 基本應(yīng)用電路 8/11/2020 9 9 圖 38是 AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。但由于 AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使 V0=+25=（ mV）。 圖 35 AD590應(yīng)用電路 三． 攝氏溫度測量電路 如圖 35所示，電位器 R2用于調(diào)整零點， R4用于調(diào)整運(yùn)放 LF355的增益。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0℃時， V0=0mV， 100℃時V0=100mV為止。例如，若室溫為 25℃，那么 V0應(yīng)為 25mV。 四 .多路檢測信號的實現(xiàn) 本設(shè)計 系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而 MC14433僅為一路輸入，故采用 CD4051組成多路分時的模擬量信號 采集電路 ，其硬件接口 如圖 36所示 8/11/2020 10 10 圖 36八 路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 3. 1. 2 濕度傳感器 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。下面 介紹 HS1100/HS1101濕度傳感器及其 應(yīng)用。 圖 37a 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。 1 0 07 55 02 50 2 002 0 4 04 06 08 01 0 0溫 度 /℃長 期 穩(wěn) 定正常工作區(qū)區(qū)非正常區(qū) 02 0 4 06 08 01 7 01 6 08 01 9 02 0 0相 對 濕 度/ % R H 圖 37a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖 37b、濕度 電容響應(yīng)曲線。 2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃。 二、 濕度測量電路 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)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。集成定時器 555 芯片外接電阻 R R2 與濕敏電容 C，構(gòu)成了對 C 的充電回路。另外， R3 是防止輸出短路的保護(hù)電阻， R1 用于平衡溫度系數(shù)。其中，充放電時間為 t 充電 =C（ R4+R2） Ln2 t 放電 =CR2 Ln2 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(zhuǎn)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。多路開關(guān)通常有 n個模擬量輸入通道 和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址 信號把 n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實現(xiàn)有 n線到一線的接通功能。因此，多路開關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。 我選用的是 CD4051 多路開關(guān)，它是一種單片、 COMS、 8 通道開關(guān)。 CD4051的內(nèi)部 原理框圖如圖 39所示 。 XCOM（ 3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，則為輸入端。若 INH為高電平，則為禁止各通道和輸出 端 OUT/IN接至；若 INH 為低電平，則允許各通道按表 32關(guān)系和輸出段 OUT/IN 接通。 VGG（ 7）；電平轉(zhuǎn)換器電源，通常接 +5V或 5V。其它情況下，輸出端 OUT/IN輸出端 OUT/IN和各通道的接通關(guān)系如下 表 32 輸入狀態(tài) 接通 通道 輸入狀態(tài) 接通 通道 INH C B A INH C B A 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5 0 0 0 1 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 2 0 1 1 1 7 0 0 1 1 3 1 x x x 均不顯示 8/11/2020 14 14 0 1 0 0 4 3． 2 信號分析 與處理 3． 2． 1 A/D轉(zhuǎn)換 一． A/D轉(zhuǎn)換器的特點 為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系統(tǒng)選用了雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433， 它精度高，分辨率達(dá)1/1999。 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器 由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以 A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。常用的有 位雙積分 A/D 裝換器 MC14433 和 位雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7135 二． MC14433A/D轉(zhuǎn)換器件 簡介 MC14433是三位半雙積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點，其缺點是轉(zhuǎn)換速率低，約 1— 10 次 /秒。 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器與國內(nèi)產(chǎn)品 5G14433完全相同，可以互換。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以 BCD碼的形式分四次送出（最高位輸出內(nèi)容特殊，詳見表 33）。 VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接 5V。 VSS： 數(shù)字地端。 外界電阻及電容端 RI： 積分電阻輸入端， VX=2V 時， R1=470?； VX=200Mv時， R1=27K? 。 C1 一般為 。 R1/C1： R1 與 C1 的公共端。 轉(zhuǎn)換啟動 /結(jié)束信號端 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈沖有效。 過量程信號輸出端 /OR ： 當(dāng) |Vx|? VR，過量程 /OR 輸出低電平。 DS1 對應(yīng)千位， DS4 對應(yīng)個位。 ～～～～～～1 / 2 C L K 周 期1 6 4 0 0 個 時 鐘 脈 沖 周 期1 8 個 時 鐘 脈 沖 周 期E O CD S 1D S 2D S 3D S 4( 最 高 位 ) 1 / 2 位 2 個 時 鐘 脈 沖 周 期最 低 位 圖 312 MC14433選通脈沖時序圖 BCD 碼輸出線 Q0Q3： BCD碼輸出線。當(dāng) DS DS3和 DS4 選通期間，輸出三位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1 選通期間，輸出端 Q0Q3 除了表示個位的 0或 1外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過量程其含意見表 33 表 3 DS1選通時 Q3～ Q0 表示的結(jié)果 Q 2Q 1Q 0 01000011表 示 結(jié) 果千 位 數(shù) 為 0千 位 數(shù) 為 1結(jié) 果 為 正結(jié) 果 為 負(fù)輸 入 過 量 程輸 入 欠Q 31001 8/11/2020 17 17 由表可知 Q3 表示 1/2位， Q3=? 0?對應(yīng) 1，反之對應(yīng) 0。 Q0=? 1?表示超量程：當(dāng) Q3=? 0?時，表示過量程；當(dāng) Q3=? 1?時，表示欠量程； 一． MC14433與 8031單片機(jī)的接口設(shè)計 由于 MC14433 的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的 BCD 碼， Q0～ Q3HE DS1～ DS4 都不是總線式的。對于 8031 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來說， MC14433可以直接和其 P1口或擴(kuò)展 I/O口 8155/8255相連。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，再送入計算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。 8/11/2020 18 18 3. 2. 2. 1 8031的片內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031 是有 8 個部件組成，即 CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)