温湿度检测方案.docx

“空气温度湿度检测''方案可行性分析报告学校：XXX大学学院：XXX学院专业：XXX撰写人：摘要：介绍了一种基于湿敏电容HSIlO1、温度传感器DS18B20的空气温度湿度检测系统，对方案设计、元器件选型、硬件结构和软件设计等几局部内容进行了详细说明。该系统能实现温度采集、显示、报警和报警限设置功能，可广泛应用于仓储、农业和运输等。该系统具有良好的稳定性和精度，抗干扰能力强，易于扩展且实用。关键词:HSllOl;DS18B20；温度湿度检测；传感器;1.总述随着国民经济的迅速增长，温度湿度测控在生产生活中起着举足轻重的作用。温度湿度检测装置应用范围广，其广泛应用于工厂车间、实验室、农业种植养殖以及人居环境的改善。口以蔬菜大棚为例，以蔬菜大棚代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚的温度和湿度参数直接关系到蔬菜和水果生长。国外的温室设施已经开展到了比拟完备的程度，并且形成了一定的标准。而当今大多数对大棚的温度、湿度的检测和控制都采用人工管理，这样不可防止的有测控精度低、劳动强度大以及由于测控不及时的弊端，容易造成不可弥补的损失。结果不但大大增加了本钱，浪费了人力资源，而且很难到达预期的效果。快捷高效的对温度湿度进行测控，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。2 .方案设计与选择在选择元器件方面，温度传感器选取DS18B20数字温度传感器，湿度传感器选取HSllOl湿敏电容。使用1602液晶显示屏分别显示温度值、湿度值。附加键盘输入及报警装置。DS18B20是美国DallaS公司推出的数字式温度传感器，它能够直接读出被测温度，并且可根据简单的编程实现9、12位的数值读数方式。HSllOl湿敏电容可以将空气中的湿度值转化为湿敏电容的电容值，电容随湿度的增大而增大，将该湿敏电容置于555振荡电路种，电容值的变化可以转化为与之成反比的电压频率信号的变化，这时就可以送入单片机。方案结构框图如下：键盘1 .1温度传感器的选择方案1：使用传统的热敏电阻作为温度敏感元件，热敏电阻的主要优点是本钱低，但需要后续的信号处理电路，而且可靠性相对较差，准确度和精度都较低。方案2：采用AD590电流输出型温度传感器，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。可承受正向44V或反向20V电压，因而期间不会损坏，使用可靠。同时，和电压输出型相比，其采用电流输出型，有较强的抗干扰能力，传输距离也较远。但在连接单片机之前需要进行A/D转换。方案3：使用DS18B20数字温度传感器，无需外部器件。芯片耗电量很小，可以简单的通过数据线为传感器供电，待机功耗根本为零。优点是该传感器在检测点就能实现信号的数字化，在单总线上传送的是数字信号。这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。综合比拟以上三个方案，方案3使用更加方便，信号更加准确。故在本设计中选择方案3o2 .2湿度传感器的选择方案1:使用H204C湿敏电阻,H204C湿度传感器是高温烧结型金属氧化物多孔质陶瓷，器件的电阻与吸附在该陶瓷微细结晶外表上的水分子的量有关，并与相对湿度(%RH)呈半对数关系。使用温度范围为0飞0；使用湿度范围为10%90%RH0不过，湿敏电阻需要设置温度补偿电路、线性化电路等外围电路。方案2：采用HSllOO/HSllOl湿度传感器。HSIloO/HSllOl为湿敏电容传感器，在电路中等效于一个电容。湿度测量范围为OQlOO%RH；工作温度为-4(TlO(TC其电容量随着空气湿度的增大而增大。具有较高精度、高可靠性和长期稳定性。不需要温度补偿。比照方案1和方案2,了解到湿敏电容的稳定性更好，测量范围更加广泛。故在本设计中，选择方案2。3 .测量电路的设计3.1 温度测量电路设计3.1.1 温度传感器的主要特性DS18B20数字式温度传感器的外部形状如下图。DS18B20的电路很简单，由一片DS18B20和一只4.7kQ的上拉电阻构成°DS18B20内集成了一个温度传感器、64位ROM、9字节RAM、3字节EERAM(掉电可保存)，可将温度信号转换为数字信号直接输出。DS18B20与外部的接口为单总线方式，即数据的输入、输出及同步均由同一根线完成。其温度测量范围为-55°C125,在-1080范围内精度为±0.5,输出的温度值可编程为912位。VD接电源，3V5V；GND为地；DQ为数据的输入输出。DQ作为输出时为漏极开路，必须加4.7k。的上拉电阻。3.L2温度测量电路3.1 .3温度传感器的测温原理DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器Io高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度存放器被预置在一55°C所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时.，温度存放器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到。时,停止温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。温度传感器考前须知DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题。(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否那么将无法读取测温结果。12在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个。在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需解决微处理器的总线驱动问题，所以在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达15Onb当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此,在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进行入循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。DS18B20温度传感器的典型应用冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域；轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制；汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温枯燥箱等；供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制；3.2 湿度测量电路设计湿度传感器的主要特性目前，生产湿敏电容的主要厂家是法国HUmirel公司。它生产的HSIIol测量范围是0%-100%RH,电容量由162PF变到200PF,其误差不大于±2%RH;响应时间小于5S；湿度系数为0.34PF/C；年漂移量0.5¾>RH/年，长期稳定。下列图为HSIlOl湿敏电容的湿度-电容响应曲线。湿度变送器采用了美国BB公司生产的XTRI05芯片，该变送器具有以下特点：1工作范围宽；2测量精度高；3电路简单；4可靠性好，使用寿命长；5抗干扰能力强；6工作温度范围宽(-4085oC)o湿敏电容的工作原理(HSllOl)湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。高分子电容型湿敏元件是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理制成的。实验证明，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力。湿敏元件是电容型湿敏元件，它可把大气相对湿度的变化转变成电容量的变化，通过电容一电压转换电路将湿度转换成电压的变化。具有感湿的高分子聚合物，例如乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等，做成薄膜膜覆盖在下电极上，然后在感湿薄膜外表上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，这样就构成了一个平行板电容器，如图6-7a所示。当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间成近似成正比关系，线性度约为±1%,如图6-7b所示。高分子湿敏元件质地柔软、不耐高温，在某些溶剂里容易溶解，其响应速度和测量精度一-20% 55% RH 的湿 度范上电极高分子胶膜电极 ' 下电极衬底a)图6.7高分子电容式湿敏元件a)结构图b)电容与相对湿度的关系(43 ±3) pF围内工作，测量环境相对湿度范围为099%RH,RSMT型湿敏元件的电容值为(20,10%RH),其变化范围为1015pF(从10%99%RH),电容量随相对湿度的改变呈线性变化，在量程的80%范围内，响应时间小于10s。湿度测量电路此电路为典型的555非稳态电路，HS1101/HS1100作为电容变量接在555的TRlG与THRES两引脚上。引脚7用作电阻R4的短路。等量电容HSIlOl/HSllOO通过R2与R4充电到门限电压(约0.67VCC),通过R2放电到触发电平(约0.33VCC),然后R4通过引脚7短路到地。传感器由不同的电阻R4与R2充放电。其工作循环可以描述如下Thigh=C*(R2+R4)*ln2Tlow=C*R2*ln2F=l(Thigh+Tlow)=l(C*(R4+2*R2)*ln2)输出循环周期二Thigh*F=R2(R4+2*R2)为了使循环时间降低50%,那么与R2相比，R4应该非常小，但是不要低于最小值。电阻R3是为了短路保护，555必须为CMoS。555电路的非平衡电阻Rl是做内部温度补偿，目的是为了引入温度效应,使它与HSIlol的温度效应相匹配。RI必须象所有的RY时钟电阻的要求一样，1%的精度最大的温度效应应该小于100PPnu由于不同型号的555的内部温度补偿有所不同，Rl的值必须与特定的芯片相匹配。为了保证在55%RH的典型湿度值为6660Hz,R2也需要做稍许修正。如下表3.2.4湿敏电容HSllOl传感器典型应用温湿度仪表、孵化机、空调、除湿机、加湿机等产品；电子、制药、粮食、仓储、烟草、纺织、气象等行业；OA设备、冰箱、冰柜、酒柜、温湿度控制器/变送器；3.3CPU单元的设计单片机是整个系统的核心，在此装置中选择8位微处理器AT89C52,该微处理器是一种CMOS工艺的低功耗、高性能8位嵌入式微控制器。该器件与MCS-51系列的同类产品(如80C52等)在指令系统及引脚上完全兼容。微处理器具有8K可写/擦1000次的Flash内部程序存储器，对系统开发过程中的程序编写和调试可以提供极大的方便。另外，微处理器内部还有256字节的RAM、3个16位定时器/计数器、8个中断源和可编程串行口。在该系统的单片机模块中，还有一路由11.0592MHz晶振和电容组成的振荡电路用于构成系统时钟。图3.3CPU单元电路图3.4时钟信号设计时钟引脚为XTALLXTAL2。时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTALl(19W)：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。假设采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。本系统采用晶振时钟电路。外部晶振以及电容C2和C3构成并联谐振电路，接在放大器的反应回路中。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的上下，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。外接晶振时，Cl和C2通常选择30pf,晶振采用12MHzo图3.4时钟电路图3.5报警单元的设计在监测系统中，对于重要的参数一般都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限设定值进行比拟，如果高于上限值（或低于下限值）那么进行报警，否那么就作为采样的正常值，进行显示。本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购置市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需IOmA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。三极管驱动的峰鸣音报警电路3.6按键单元的设计本设计采用7个独立按键完成对温、湿度上下限的设定。七个按键的功能分别是：按键1：进入温度上下限设定；按键2：进入湿度上下限设定；按键3：进入上限设定；按键4：进入下限设定；按键5：温度或湿度的上限或下限值加1；按键6：温度或湿度的上限或下限值减1；按键7：退出温、湿度上下限设定。4 .系统软件设计思想5 .总结本文设计了采用单总线数字式温度传感器DS18B20,HSllOl集成芯片作为温湿度传感器用于温湿度测量电路，分析了温湿度测量的工作原理及过程，提出了显湿度检测系统设计的整体方案。根据我们的分析研究我们认为此方案可行。在传感器选择和原理分析的过程遇到了很多问题和困惑，但是都一一解决了，觉得对传感器有了更加深入的了解。让自己对传感器有个更深得层次的学习。同时感谢王老师、张老师两位老师在本学期的指导与关爱。感谢班内几位同学的建议和帮助。参考文献1周杏鹏.传感器与检测技术-北京：清华大学出版社，2010.92王煜东.传感器应用电路400例-北京：中国电力出版社，20083江太辉，邓展威.DS18B20数字式温度传感器的特性与应用J.电子技术，2003年第12期4张军.智能温度传感器DS18B20及其应用J.仪表技术，2010年第4期5汤错杰，栗灿，王迪，张琴.基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计J.传感器与微系统，2014年第33卷第3期6刘曙光，孙兴丽，张青.基于HSllOl的湿度传感器及其变送器的设计J.仪器仪表学报，2008年4月第29卷第4期增刊7罗念宁，崔胜民.汽车空调温度湿度传感器设计J.传感器技术，2008年第24卷第8期8张盛福，张鹏.提高湿敏电容测量精度的方法J.仪表技术与传感器，2003年9雷建龙.数字温度传感器DS18B20读出数据错误分析J.电子器件，2007年12月第30卷第6期