摘要：介紹了由相對(duì)濕度傳感器THS1101、半導(dǎo)體測(cè)溫器件AD590與ADuC812單片機(jī)等組成的高精度的環(huán)境溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，提出了實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的高精度測(cè)量及其精度校正的軟件處理方法。
 
　　關(guān)鍵詞：濕度傳感器；溫度傳感器；單片機(jī)；儀表
 
  0 引言
 
    對(duì)環(huán)境條件要求高的場(chǎng)合，需要精密地測(cè)量相對(duì)濕度與溫度，為此研制了智能化的高精度的相對(duì)濕度、溫度測(cè)量?jī)x[1,2]，其主要性能如下：

  （1） 溫度測(cè)量：精度 ±1℃，分辨力 0.1℃；
  （2） 相對(duì)濕度測(cè)量：精度 ±1℅RH，分辨力 0.1℅RH；
  （3） 可由用戶自行校準(zhǔn)儀表的測(cè)量精度，無(wú)需硬件調(diào)整；
  （4） 用戶可編程設(shè)定相對(duì)濕度與溫度的上、下限報(bào)警值；
  （5） 可手動(dòng)或自動(dòng)記錄測(cè)量的相對(duì)濕度與溫度的結(jié)果；
  （6） 用戶可編程設(shè)定手動(dòng)或定時(shí)自動(dòng)打印相對(duì)濕度與溫度的測(cè)量結(jié)果；
  （7） 可直接與微機(jī)串行口連接，作環(huán)境相對(duì)濕度與溫度的高精度記錄儀使用。

      本文給出了測(cè)量?jī)x的硬件電路原理圖，簡(jiǎn)述了各個(gè)主要功能的硬件電路的具體實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)介紹了環(huán)境溫度的高精度測(cè)量及其精度校正的軟件處理方法和通過(guò)軟件的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理實(shí)現(xiàn)環(huán)境相對(duì)濕度的高精度測(cè)量及其精度校正的方法。
 
  1 溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)
 
  整個(gè)系統(tǒng)的電路原理如圖1所示。
      溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的核心部分是美國(guó)AD公司推出的與MCS51單片機(jī)兼容的ADuC812單片機(jī)[3]，它包含了高性能的8路12位ADC、2路12位DAC、80C52MCU內(nèi)核、8KB EEPROM程序存儲(chǔ)器、640B EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和溫度傳感器等片內(nèi)資源。
      溫度測(cè)量電路由半導(dǎo)體集成傳感AD590J串接一個(gè)電阻R15組成，AD590輸出電流通過(guò)電阻R15進(jìn)入模擬地，產(chǎn)生相應(yīng)的電阻電壓。電阻R15的電壓輸入到ADuC812單片機(jī)的ADC7口，A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由應(yīng)用軟件處理得到環(huán)境溫度。
      相對(duì)濕度測(cè)量電路由NE555構(gòu)成的振蕩器組成，濕度傳感器THS1101的電容隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化，從而導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率變化，ADuC812單片機(jī)通過(guò)測(cè)量振蕩器輸出的振蕩頻率，經(jīng)過(guò)軟件處理后，獲得相對(duì)濕度值。
      溫度與相對(duì)濕度的上、下限報(bào)警信號(hào)通過(guò)ADuC812單片機(jī)的P3.6、P3.7、P2.6、P3.7口輸出。
      鍵盤輸入電路與LCD顯示電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的功能。RS232C接口電路與PC機(jī)的串行口聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)通信功能。打印輸出接口電路與打印機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)打印功能。
 
  2 高精度的環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的測(cè)量方法。
 
  2.1溫度測(cè)量及其精度調(diào)整方法

  AD590是一種由所在環(huán)境溫度決定的恒流輸出器件，其輸出特性為：
  I=Kt·t                  （1）
  式中I為AD590輸出電流信號(hào)，單位為1uA電流。t為絕對(duì)溫度，單位為K。Kt為轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為1uA/K。這種傳感器線性好，熱容量小，靈敏度度高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃。
 

  圖1 溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的電路原理圖

  
  AD590輸出電流信號(hào)經(jīng)電阻R15轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其電壓為：
  V R = Kt·R15·t              （2）
  VR從ADC口輸入到ADuC812單片機(jī)中，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量VT。環(huán)境溫度T與VT的關(guān)系式為：
  T = KT（VT-V0）              （3）
      式中T為實(shí)測(cè)的環(huán)境溫度值，VT為環(huán)境溫度為T時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓值，V0為環(huán)境溫度為0℃時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓值，KT為環(huán)境溫度與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)：KT = 1/( Kt·R15)。KT、V0作為參數(shù)存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)EEPROM中。根據(jù)KT、V0兩個(gè)參數(shù)的值，由上述公式即可計(jì)算出環(huán)境溫度值。

      上述溫度測(cè)量方法中，KT、V0參數(shù)是影響溫度測(cè)量精度的主要因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整KT、V0參數(shù)可實(shí)現(xiàn)儀表溫度測(cè)量精度的校正。 具體方法如下：

      用其它更高精度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀測(cè)量環(huán)境溫度T1，輸入本儀表，ADuC812單片機(jī)同時(shí)記錄下相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量V1。當(dāng)環(huán)境溫度從T1變化到T2時(shí)，重復(fù)以上過(guò)程，ADuC812單片機(jī)同時(shí)記錄下相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量V2。為保證校準(zhǔn)精度，環(huán)境溫度應(yīng)在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。儀表的應(yīng)用軟件根據(jù)公式：KT=（T1-T2）/（V1-V2）和V0=VT1-T1/KT計(jì)算出KT和V0 的值，并存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，既完成該儀表的溫度測(cè)量精度的校正。儀表的應(yīng)用軟件系統(tǒng)配置有專用的服務(wù)子程序完成此項(xiàng)工作，僅需按儀表的LCD顯示器的提示完成有關(guān)操作。

      儀表在出廠前或使用中溫度測(cè)量精度均采用上述方法進(jìn)行校正。經(jīng)過(guò)精度的校正，溫度測(cè)量誤差小于1℃，分辨力小于0.1℃。

  2.2 相對(duì)濕度測(cè)量及其精度調(diào)整方法

      相對(duì)濕度測(cè)量電路是由NE555和濕度傳感器THS1101構(gòu)成的振蕩器組成，其特點(diǎn)是測(cè)量范圍大，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，溫度系數(shù)低，線性度較好，體積小。

      實(shí)驗(yàn)得出振蕩電路的輸出頻率（f）與環(huán)境溫度（T）的關(guān)系曲線，如圖2所示。在環(huán)境相對(duì)濕度不變的條件下，它們是近似的線性關(guān)系，忽略非線性誤差不影響測(cè)量的精度；在不同環(huán)境相對(duì)濕度的條件下，頻率的溫度補(bǔ)償系數(shù)是不同的，相對(duì)濕度為X%RH時(shí)振蕩頻率）的溫度補(bǔ)償系數(shù)（ΔfRHX）與相對(duì)濕度為0%RH時(shí)振蕩頻率的溫度補(bǔ)償系數(shù)（Δf RH0）的關(guān)系為：

  ΔfRHX=Δf RH0· (fRH/fRH0)             （4）
  式中Δf RH0的值為297/65（Hz/℃）；fRH0是溫度為0℃時(shí)相對(duì)濕度為0%RH的振蕩頻率，其值為7588（Hz）；fRHX是溫度為0℃時(shí)相對(duì)濕度為X%RH的振蕩頻率。
 

  實(shí)驗(yàn)得出相對(duì)濕度（RH）與振蕩電路的輸出頻率（f）在環(huán)境溫度為25℃時(shí)的關(guān)系曲線，如圖3所示。表1給出了該關(guān)系曲線上的10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，相對(duì)濕度在20% RH—80%RH范圍內(nèi)線性度較好，兩端的線性較差。
 

  顯然，振蕩頻率隨環(huán)境相對(duì)濕度變化是非線性的，并且受環(huán)境溫度的影響很大。采用軟件的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地測(cè)量相對(duì)濕度。

      相對(duì)濕度測(cè)量的程序流程如圖4 所示。振蕩頻率的測(cè)量是由應(yīng)用軟件系統(tǒng)的時(shí)間中斷服務(wù)程序完成的，它總是把當(dāng)前的頻率值保存在AduC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM中。具體的相對(duì)濕度測(cè)量方法如下：
  測(cè)量程序首先直接讀取當(dāng)前的頻率值（f），接著測(cè)量環(huán)境溫度T，然后對(duì)頻率值（f）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償后的頻率值fT = f +(25－T) ·Δf RH0· (fRH/fRH0)；最后對(duì)頻率fT進(jìn)行線性化處理，計(jì)算出環(huán)境的相對(duì)濕度，結(jié)束一次測(cè)量過(guò)程。

      為了便于軟件線性化處理，我們把圖3 所示的關(guān)系曲線上的10個(gè)點(diǎn)的相鄰兩點(diǎn)用直線連接，形成一條新的曲線，該曲線與實(shí)際曲線幾乎重合在一起。采用該曲線進(jìn)行軟件線性化處理，產(chǎn)生的非線性誤差不影響相對(duì)濕度的測(cè)量精度。該曲線與Δf RH0、fRH0存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)EEPROM中，用于振蕩頻率（f）的溫度補(bǔ)償與線性化處理。
 

  在上述相對(duì)濕度測(cè)量方法中，Δf RH0、fRH0參數(shù)和用于軟件線性化處理的曲線是影響相對(duì)濕度測(cè)量精度的主要因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整可校正相對(duì)濕度測(cè)量的精度。 具體方法是：

      在環(huán)境的相對(duì)濕度為0%RH時(shí)進(jìn)入本儀表的相對(duì)濕度測(cè)量精度的校正服務(wù)子程序，改變環(huán)境溫度，服務(wù)子程序自動(dòng)完成相對(duì)濕度測(cè)量精度的校準(zhǔn)。為保證校準(zhǔn)精度，環(huán)境溫度應(yīng)在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。在相對(duì)濕度測(cè)量精度的校正之前，必須先進(jìn)行溫度測(cè)量精度的校正，因?yàn)橄鄬?duì)濕度測(cè)量精度的校正的精確依賴于儀表測(cè)量環(huán)境溫度的準(zhǔn)確度。其原理類似于環(huán)境溫度的校準(zhǔn)。

      儀表在出廠前或使用中相對(duì)濕度測(cè)量精度均采用上述方法進(jìn)行校正。經(jīng)過(guò)校正，相對(duì)濕度的測(cè)量精度在20% RH—80%RH范圍可達(dá)1% RH以上，在0% RH—100%RH范圍可達(dá)2% RH以上。相對(duì)濕度的分辨力為0.1℅RH。

  3 結(jié)束語(yǔ)

      本文提出的實(shí)現(xiàn)溫度和相對(duì)濕度測(cè)量精度校正的軟件方法，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，在同類儀表的開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適合于在工業(yè)加工的精密測(cè)試中心以及對(duì)加工材料的存放有較高要求的環(huán)境中使用，還可以應(yīng)用于居住環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)采用軟件的方法對(duì)影響溫度和相對(duì)濕度測(cè)量精度的參數(shù)的精確校正，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、相對(duì)濕度測(cè)量的高精度測(cè)量，而且校正方便。

      本儀表經(jīng)過(guò)近一年的使用，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高，智能化程度高，使用簡(jiǎn)便，性能價(jià)格比高，受到了用戶的普遍歡迎。

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