多通道智能湿度测试仪设计

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多通道温湿度远程监测与控制系统设计

多通道温湿度遥程监测与控制系统设计关键词：温湿度监测；遥程控制；无线传输；多通道传感器；手机APP一、引言随着科技的进步和社会的进步，人们对环境的要求越来越高，而且各种环境因素之间的互相影响也越来越明显。

因此，对环境中的温湿度等因素进行实时监测变得越来越重要。

同时，随着物联网技术的进步，无线传输技术应用越来越广泛，在传感器网络领域中也越来越受到人们的关注。

本文针对传统温湿度监测系统存在的不足，设计了一种基于多通道传感器的温湿度遥程监测与控制系统，以解决传统监测系统存在的精度、传输和遥程监测等问题。

二、系统设计本文所设计的多通道温湿度遥程监测与控制系统基于嵌入式技术和无线传输技术，主要由三部分组成：传感器模块、数据采集模块、无线传输模块和遥程控制模块。

下面详尽介绍系统的各部分设计。

2.1 传感器模块设计传感器模块是本系统的核心部分，它主要通过多通道数字式温湿度传感器实时监测环境中的温湿度信息。

在实际应用中，需要同时监测多个温度和湿度的值，因此本系统接受多通道传感器，可同时监测多个环境参数。

传感器模块接受数字式温湿度传感器，相比传统的温湿度传感器，数字式温湿度传感器具有更高的准确性和稳定性。

2.2 数据采集模块设计传感器模块通过AD转换器将传感器数据转换为数字信号并将其储存到微控制器中。

本系统接受STM32作为主控制器，通过AD转换器将传感器数据转换为数字信号并存储到微控制器中。

该模块负责实时采集温湿度传感器模块的数据，并将这些数据通过无线传输模块传输到遥程端。

2.3 无线传输模块设计无线传输模块主要负责传输数据给遥程端。

本系统接受基于WiFi的无线传输技术进行数据的传输。

WiFi技术是一种无线局域网技术，具有成本较低、传输速度快等特点，分外适合用于可遥程控制的传感器网络中。

无线传输模块将传感器数据通过WiFi技术传输到遥程端。

2.4 遥程控制模块设计遥程控制模块负责与用户进行交互，用户可以通过手机APP进行遥程监测和控制。

智能型多功能温湿度测控仪的研制

能进行高精度ＡＤ转换．具有多缎放大的温湿度模拟嫱／采集涮理电路分别如图２、３所示．捅理之后的温湿度值
分别有０５和０１￣两种标准输出电压．以增强其适用 —Ｖ－０
性能
技术通常是利用温湿度传感器采集信号，然后将模拟信号
表１Ｘ５４０５指令格式
ＴＣ５３的８位控制字数高４位（７Ｄ）决定温湿Ｌ２４Ｄ一４
度转换通道号，低４位决定输出数据长度及格式，ＴＣ５３的输出数据长度有８位、１Ｌ２４２位、１６位，本文将其用为１位ＡＤ转换芯片。２／在该测控仪中，Ｘ５４０５芯片实现双重功能：一方面，
控仪
ｌ硬件总体结构
硬件部分是整个仪表的重要部分．其没汁的好坏直接
影响到整机的性髓，仪器以ＡＣ２单片机为核心整本￣９５个硬件系统分为以下几个模块：温湿度模拟信睁采集调理模块，ＡＤ转换模块，显示模块．键盘模块，控制输出模／块．通信接口模块瘦巾央处理模块如图ｌ示一所
罔２
席州理垒送电路图
２温湿度模拟信号采集
温湿度传感器对环境［实际温湿度进行采集．井以徽佝
Ｉ３龋唐峒理变送电ｊ｝ｆ！图
湿度传感器采川奖国Ｈｎｙｅ公司的ＨＨ６Ｏ此ｏｅｗｌｌＩ３Ｉ．

多通道智能温湿度巡检仪的设计与实现

以满足不同场合的实际需求，同时也为温湿度的自动化测量以及控制奠定了良好基础。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
关键词：多通道智能温湿度：巡检仪：设计与实现
中图分类号：ＴＰ２７４．４
文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－５７８０（２０１５）０９—０ｌ７１－０１
泛的应用，其中主要包括农业生产中的蔬菜大棚的内温、湿度的测控，粮仓中的温湿度的测控以及发电厂、电力部门等等工
农业都需要去对其自身的环境进行一个温、湿度的监测与控制。在应用智能温湿度巡检系统的时候，其主要可以实现的目标
中国科技经济新闻数据库科研
多通道智能温湿度巡检仪的设计与实现
李文娟车斌李正内蒙航天动力机械测试所，内蒙古呼和浩特０１００００
摘要：由于近年来我国的科技水平在不断的上升，与此同时我国在对于环境的问题上也开始越来的越为重视，特别是在环境
的是：将环境的温度和湿度进行一个高精度的测量，同时这一系统的硬件电路相对于较为合理，同时这一系统的性价比高。使
用也十分的方便，并且其自动化的程度相对于较高、智能化程度高、温湿度的测试点数较多，并且可实现即插即测功能，可
１环境温湿度申报校准方法的现状目前，我国在对于在这一方面上的发展处在一个正在发展的过程中，其主要的申报校准的方法是对所针对的问题进行一个详细的报告说明。然而目前来看，这一方法虽然可以十分清楚的发现系统所处的问题，但是由于很多时候进行申报的人没有进行一个系统的、准确的去确定这一问题的出现，就会导致申报的内容出现一定的错误，或者申报的格式不对等多种问题。目前来看，在我国温湿度环境试验设备其自身所需要的校准的工作十分的费时，同时其自身的工作量也很大，需要其在多个不同的环境下来进行一个设定，同时需要在空间内设置多个温度、湿度的点，并且需要进行重复多次的测量。其中这些产品普遍都会存在以下几个问题：（１）布线不方便、高准确度的温度传感器没有办法进行大范围的布线；

多通道温-湿度循环监测仪

关键词：温一湿度传感器；Ａ８ＣＩＴ９５；２ｌＣ总线；低功耗
中图分类号：Ｔ１Ｐ２６文献标识ｔ：Ａｉ５－
温湿度的测量在气象观测、生产制造、仓储管理、学研究以及日常生活中被广泛应用，统的模拟式科传温度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，在且线性度、致性、复性、一重互换性、灵敏度、点时间漂移、定性及其体积大小等方面往往不尽人意．因此，零稳迫切需要开发研制智能的便携式高精度温一湿度仪．
芯片与８５完全兼容，内部带有４ｋ０ｌ且Ｂ闪速可编程、可擦除ＥＲＭ，作时钟可高达２ｚＰＯ工４ＭＨ．２２湿度转换模块．采用了电容式结构的ＡＤ转换芯片ＳＴｌＳＴｌ传感器的外形及引脚如图２所示．ｉＨ１，Ｈ１
１设计原则温湿度传感器的选择
在温度测量中，膜铂电阻具有体积小、薄响应时间快、命长、温范围宽，氧化性介质中性能稳定、寿测在线性度及精确度高等优点，很适合在便携式测量仪中使用．故温度传感器选美国ＤＬＡＡＬＳ公司Ｄ１Ｂ０Ｓ８２，测温范围一５５ ℃一＋２ ℃，１５测量精度为００℃ ．属于单总线温度传感器，类温度传感器直接输出数字信号，．３这且多路温度传感器可以挂在１总线上，共同占用单片机的ｌＩ条条／即可实现接口．在提升单片机ＩＯ线／Ｏ线驱动能力的前提下，理论上可以任意扩充检测的温度点数．对于测量湿度，般说阻抗性湿敏元件长期稳定性好，一响应快，缺点：寸较大、线性及温度系数其是尺非高；敏电阻式湿度传感器测量湿度，热其特点是不存在滞后误差，要求两只热敏电阻在较宽范围内特性一但致是很困难的，另外，空气中混合有比空气导热性好的气体时，产生测量误差．瑞士Ｓｎｉｏ司生产若会ｅｓｉｎ公ｒ的具有Ｉ２线接口的单片全校准数字式相对湿度传感器ＳＴ，芭片采用ＣＳｎＴ技术，Ｃ总Ｈ１该：＝１ＭＯｅｓＭ不仅将温湿度传感器结合在一起，且还将信号放大器、／而模数转换器、准数据存储器、校标准Ｉ２Ｃ总线等电路全部集成在一个芯片内．湿度检测运用电容式结构，采用具有不同保护的“ 型结构 ” 测电极系统与聚合物覆并微检盖层来组成传感器芯片电容，保持电容式湿敏器件的原有特性外，除还可抵御来自外界的影响．测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差．所以，湿度检测我们选用ＳＴ传感器芯片．Ｈ１１

温湿度测量仪的多通道测量及低通滤波

温湿度测量仪的多通道测量及低通滤波作者：刘惠惠来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2013年第22期刘惠惠（安徽财经大学电子信息工程系，安徽蚌埠 233030）摘要：介绍一种温湿度测量仪的多通达测量方法及低通滤波的实现，由多路温度、湿度传感器对关键温度点进行测量，用单片机对各路数据进行循环检测、存储，实现温、湿度的智能测量.可长周期数据自动记录；空间温度场、湿度场测量；精度高；成本低.关键词：Pt100；HIH-4000；单片机；温度；湿度中图分类号：TP216+.1文献标识码：A文章编号：1673-260X（2013）11-0030-021 总体设计方案系统以单片机为控制核心，通过多路温度、湿度传感器对关键温湿度点进行测量，并由单片机系统对各路数据进行循环采集、存储.在系统中，温湿度传感器系统的输出信号，经多路模拟开关实现通道选择，通过低通滤波器消除信号中的一些高频噪声，经A/DC进行模数转换，由单片机控制实现分时数据采集与处理，并将数据定时存储，可实时传送到计算机.所采用的主要器件有：单片机、温度传感器、湿度传感器、高精度A/D转换器、数据存储器、模拟开关、高精度集成运算放大器等等.系统总体框图如图1所示.2 数据采集电路设计2.1 温湿度测量温度传感器选用常用的WZP系列Pt100铂热电阻，稳定，耐氧化，在相当宽的温度范围内有相当好的稳定性和极好的复现性能，成本低.要实现温度与电压的转换需使用不平衡电桥.并根据温度传感器测量电桥输出的信号需要放大增益大概在70～90倍左右，所以选择可变增益的差分放大电路设计方案.系统的放大电路及滤波电路采用高精度集成运放OP07做放大元件.通常在湿度测量中用的干湿球法，需要两个温度传感器分别检测干球温度和湿球温度，对比温度差值求得湿度[1].不能够灵活的检测湿度值.而由于成本控制的原因，在设计中采用HIH-4000系列的湿度传感器，测量精度在±3.5%RH，芯片内具有信号处理功能，该传感器输出线性电压，易于信号处理和误差校正.2.2 测量通道扩展及低通滤波电路的设计2.2.1 多通道测量电路对于测量系统要实现多通道测量，通常有两种方法：一种是选用多通道模拟开关扩展输入通道，另一种选用带有多路模拟输入通道的A/DC[5].设计选用的是多通道模拟开关来扩展输入通道.模拟开关的主要用途是把多路模拟信号逐个、分时地送入A/DC中，实现一个A/DC对多路模拟量的转换.模拟开关选用CD4051（8选一），它由电平转换电路、译码电路和开关电路组成.其中，电平转换电路可以完成CMOS到TTL逻辑电平的转换功能，因此输入电平范围宽，数字量信号电平幅度为3～15V，模拟信号的峰-峰值可达15V.地址译码具有禁止功能，可根据CPU给出的地址信号，方便地选择其输入通道，从而使输入输出相连通.其电路如图2所示.采用CD4051的双极性输入方式，VDD=5V,VEE=-5V,VSS=0V，就能开关-5V～5V之间的模拟信号.C、B、A为通道地址线，当CBA=000B～111B时，可选择通道X0～X7.INH为禁止控制端，当INH=1时，所有通道均被断开；当INH=0时，根据CBA的值允许选择一个通道.使用该控制端还可以实现多通道的扩展.2.2.2 二阶低通滤波电路传感器的输出信号，经过放大后，有一部分的较高频率的噪声会被放大，加上元器件、导线、电源、电子线路以及外界环境等噪声的干扰，输出波形会发生变化.此时，可以根据系统的特性设置一个低通滤波电路.一般系统要求在较稳定的环境下工作，系统的扫描频率一般在0.1HZ～7HZ.此滤波电路的截止频率为7HZ，通带增益为1.具体电路如图3所示.其传递函数为2.3 A/D转换系统选用可高精度，低噪声，低漂移，低功耗、低价格的12位双积分式A/D转换器ICL7109.其输出数据为12位二进制数，配有较强的接口功能，可以较方便的连接各种微处理器[2].图4是ICL7109与单片机接口设计.它采用±5V双电源供电，MODE端接地，使其工作在直接输出工作方式.将RUN/HOLD接单片机的P1.0口，由单片机控制A/DC工作，将STATUS线与单片机的INT0外部中断口相连，每完成一次转换，向单片机发送一次中断请求.P2.0、P2.1分别与高字节使能端HBEN、低字节使能端LBEN相连，当P2.0为低电平，P2.1为高电平时，读取ICL7109的高字节，当P2.1为低电平，P2.0为高电平时，读取ICL7109的低字节.由于采用3.5MHZ的晶振，故完成一次A/D转换所需要的时间为T=8192(脉冲周期)58/3.58MHZ=132.72ms,即转换速率为7.5次/s.其中的自动调零电容CAZ的选择可以这样考虑，当VIN较小时，例如VIN=0～409.6mV，这时抑制噪声是主要的，CAZ可选为比CINT大1倍，以减小噪声.CAZ越大，噪声越小.例如，CINT为0.3uF时，CAZ选0.5uF.当VIN=0～4.096V，这时噪声的影响不是主要的，可以把积分电容CINT选大一些以减小复零误差，使CINT=2CAZ.例如图中CINT=0.33uF，CAZ=0.15uF.基准电容一般可以取1uF较好.2.4 单片机系统电路及串口通信本系统采用的AT89C52型单片机，由于需要扩展键盘控制和显示功能，89C52单片机需要扩展I/O口，选用通用的可编程并行I/O接口芯片8255A.数据存储选用容量为8KB的SRAM6264,以实现定时存储功能.由于6264在掉电后数据丢失.设计时，需加一个掉电保护电路.系统通过PC的一个COM口与串口调试软件通讯，将采集的数据传入计算机，对温湿度数据进行曲线分析来实现温湿度控制装置发送指令采集和控制.系统采用RS232通讯协议，串行通讯电路电平转换芯片选用MAX232.3 软件设计软件采用Keil C编程调试，程序中的A/D采集子程序加了软件滤波的设计，采用算术平均值滤波法，使A/DC对每个通道的模拟量采样8次，求算术平均值，以次来消除噪声的干扰.经过反复的运行、调试，修改最后形成了一套完整的程序系统，其中包括：A/D采集子程序、信号处理子程序、定时存储子程序、串行通讯子程序.参考文献:〔1〕强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,2004.〔2〕许爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1995.〔3〕赛尔吉欧·佛朗哥编著,刘树棠,朱茂林,荣玫.基于运算放大器和模拟集成电路地电路设计（第三版）[M].西安:西安交通大学出版社,2004.〔4〕沙占友,孟志永,王彦明,等.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2006.。

基于PLC的多通道温湿度监控装置课程设计

电控与PLC课程设计报告书一、设计内容及要求(1) 基于PLC的多通道温湿度监控装置用稳压器给定3路输入信号为0-5V标准直流电压信号，表示为温度、湿度对应的电压信号。

分别经过2个EM235转换之后（表示8路以上），用2位LED交替显示相应电压值的个位和第一个小数位，要实现可自动每隔2秒交替，也可手动按键交替显示。

要保证显示精度。

当某一路电压值大于2V时，LED闪烁显示，以示报警。

同时自动启动鼠笼式三相异步电动机开关温湿度控制阀门。

此外，电动机应能单独手动控制启停。

(2) 基于PLC的刀库捷径方向选择控制加工中心刀库回台式模拟装置，上面设有8把刀，每把刀有相应的刀号地址，分别为1、2、……、8。

刀库转动时，将由传感器测试其刀号位置，并由一只数码管显示当前刀号位置。

当按下启动开关后，如果传感器没有找到任何刀，电机将按顺时针方向自动转动，直到指传感器检测到某把刀，电机停转。

这时数码管将显示该刀号对立面的地址，即：若刀号是1，其对立面的为5。

拔码开关用来选择刀号。

选好刀号后，再按一下“送刀号”按钮，即可将所选择的刀号送入程序。

程序将对所选择的刀号与当前刀号进行比较、运算，然后指挥电机按照离当前刀号最近的方向旋转（即最捷径方向，正转或反转），转到所选刀号位置后，电机停转。

LED显示刀号位置。

(3) 基于PLC的挖掘机控制实现参照西门子挖掘机模型。

让挖掘机总共运行15s，时间到做完所有动作，自动停止，完成手自动即可，但位置要复，原动作衔接。

(1、接线：PLC的输入端I0.0～I0.7以及I1.0、I1.1分别和控制面板上对应的接线孔相连；PLC的输出点Q0.0~Q0.7分别接控制盒面板上的接线孔“Y0~Y7”。

PLC主机输入的公共端1M、2M、3M，输出公共端1L、2L、3L以及控制盒的+24V都接到PLC 主机的“L+”，控制盒的“COM”接PLC主机的“M”。

(2、开机之前需确认连线正确（注：确认PLC主机的接线没有错误，否则将烧毁主机模块）。

智能温湿度巡检仪多通道采集仪安全操作规定

智能温湿度巡检仪多通道采集仪安全操作规定1. 前言智能温湿度巡检仪多通道采集仪（以下简称“巡检仪”）是一种用于测量环境温度和湿度值的仪器。

该仪器具有多道通道采集功能，可以同时测量多个环境温湿度值。

为了确保使用巡检仪的安全性和精度，本文档总结了巡检仪的安全操作规定。

本文档适用于所有使用巡检仪的人员，包括但不限于运维人员、维修人员和管理员等。

2. 工作原理巡检仪通过传感器采集环境温度和湿度值，并将采集到的数据传输给数据处理单元进行处理和显示。

巡检仪可以通过多种通讯接口与外部系统进行数据交互，如 USB 接口、Wireless RF 通讯接口等。

3. 安全操作规定3.1. 安全用电巡检仪应使用符合国家标准的电源线和插头，并在设备周围空气流通的环境下使用。

巡检仪不得被暴露在阳光直射、高温或高湿度等恶劣环境下，也不得被放置在易爆地区。

3.2. 设备连接在连接巡检仪之前，请确保设备电源已经断开，然后按照巡检仪的接口说明进行连接。

在连接接线时请务必遵循以下操作规程：•对于巡检仪的端口，请使用符合标准的连接线，并确保连接端口的橡胶裙没有损坏；•在断电状态下，先连接设备接口，再插入电源线；•启动电源后，请确认各个接口的灯光是否都亮起。

3.3. 巡检仪操作在使用巡检仪之前，请先了解巡检仪的操作和功能。

巡检仪的操作步骤如下：1.确认巡检仪数据处理单元电源是否已正常启动；2.插入巡检仪的 USB 接口，并将巡检仪与计算机相连；3.对巡检仪进行各项参数设置（如清零、配置通讯模式、设置传感器范围等）；4.开始巡检仪的温湿度监测功能。

注意事项：•巡检仪不允许拆卸或修理；•巡检仪只能由训练有素的维修人员进行维修；•巡检仪的传输距离不能超过规定范围；•巡检仪不得长时间放置或使用。

4. 维护保养为确保巡检仪的精度和稳定性，需要对其进行定期维护和保养。

具体维护保养工作包括：•定期校准巡检仪，根据需要更换传感器；•对巡检仪进行检查和清洁，进行防水防尘处理；•存储和保管巡检仪时注意防潮、防震。

基于STM32的多通道温湿度测量仪设计

800×480 像素，采用 1mer_task8。
活，容易进行多点触摸，采用硬度较大的钢化玻璃材
配置该任务的优先级为 8，堆栈容量为 128 B。
摸屏而言，电容触摸屏只需轻微的手指触碰就能激
料，使用寿命长 [16]。
和 PB11，按键引脚的初值化值均配置为高电平，通
对应值在触摸屏上刷新，配置该任务的优先级为 9，
个按键的 GPIO 分别为 PA11、PA12、PB8、PB9、PB10
过人机交互界面可进一步设置温湿度报警值。
1.7
功率放大电路
为提高报警器的响度，降低单片机的负载，使用
1.6
按键设计
在按键设计中，共设置了 7 个按键，其中一个为
复位按键，其余 6 个为湿度×10、湿度×1、湿度×0.1，温
度×1、温度×0.1、温度×0.01，分别表示湿度相对变化
start_task 用于创建其他任务，执行完毕后挂起，
touch_task 用于触摸屏的刷新任务，配置该任务的优
先级为 3，堆栈容量为 128 B。 emwin_task 用于人机
本电路，留有串口电路的目的有两个：程序烧写和与
的温湿度数据进行取样，探究温湿度对高寒草甸土
上位机通信；通过按键设置温湿度的报警值；对 8 个
壤氮矿化的影响；文献[5]测量出了土壤温湿度数据，
研究了不同的覆盖方式对土壤温湿度的影响。工程
中通常采用电子仪表对土壤进行温湿度测量
[6-7]
。文
献[8]利用虚拟仪器技术，基于 51 单片机搭建了一套
values are displayed on the touch screen. The alarm value of temperature and humidity is set by keys，

多通道智能温湿度测试仪的研制

多通道智能温湿度测试仪的研制本文以单片机为核心，配合HIH3610大信号线性电压输出湿度传感器和DS18B20 数字温度传感器研制出一种多通道智能温湿度测试仪，该仪器具有测量精度高、硬件电路简单、显示界面友好、可测试多点温湿度等特点。

关键词：温湿度；单片机；测试仪引言温湿度的测量在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用，但由于常用湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使湿度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。

为此，采用Honeywell公司的线性电压输出湿度传感器HIH3610研制出一种测试精度高，能测试多点温湿度，且可与上位机通信的温湿度智能测试仪。

该测试仪可实现温湿度的多点自动测量，为温湿度测量自动化奠定了良好的基础。

仪器硬件电路多通道温湿度测试仪的硬件电路如图1所示。

由于HIH3610为大信号输出且线性度良好，因此，可省去复杂的信号放大及调理电路，仅需一片A/D转换器将与湿度值成正比的电压值转换成数字量并与单片机接口即可，由于HIH3610输出信号电压范围为0.8~3.9V，而一般A/D转换器的输入电压范围为0~5V，直接使用此类A/D转换器会造成转换分辨率的降低，故这里选用了具有转换最大值、最小值设定功能的A/D转换器TLC2543。

前向通道前向通道电路原理图如图2所示，TLC2543 是美国TI公司的串行控制11路模拟量输入的模数转换器。

该转换器具有零值设定端REF-和满度值设定端REF+，可满足本系统需要对输入模拟量上下限进行设定的要求，同时该器件具有最多11路的模拟量输入功能，因而可使本系统实现最多11路的湿度测量功能。

而HIH3610的输出可直接与TLC2543的模拟输入端相连，这里关键是要设定TLC2543的REF+和REF-的基准电压输入端参考电压值，我们采用了电阻分压方式，其中R1和RP1用于设定满度电压值，调整RP1可使满度电压值在1/2Vref~Vref之间变化。

适用于地面和探空观测的多路温湿度巡检仪设计

㊀２０２０年㊀第６期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．６㊀基金项目：国家自然科学基金项目（４１８７５０３５）；江苏高校优势学科Ⅱ期建设工程（ＰＡＰＤ－Ⅱ）；国家公益性行业（气象）科研专项项目（ＧＹＨＹ２００９０６０３７）；江苏省高等学校自然科学研究项目（１８ＫＪＢ５３００１１）；南京信息工程大学人才启动经费项目（２２４３１４１７０１０６０）收稿日期：２０１９－０４－２０适用于地面和探空观测的多路温湿度巡检仪设计茆文杰１，２，３，刘清惓１，２，３，孙㊀星１，２，３，吕鸣晨１，２，３（１．南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京㊀２１００４４；２．南京信息工程大学大气环境与装备技术协同创新中心，江苏南京㊀２１００４４；３．江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏南京㊀２１００４４）㊀㊀摘要：为了分析温湿度环境试验设备内部的温度和绝对湿度场是否稳定且均匀分布，设计了一种基于ＡＲＭ处理器㊁多路开关选择器㊁低噪声高精度采集电路以及温湿度传感器的多路温湿度巡检仪㊂首先通过温度传感器在试验设备内部布点获得温度数据，利用ＢＰ神经网络拟合出设备内部的温度场，然后在试验设备内部布置湿度传感器获得相应的相对湿度，通过Ｇｏｆｆ－Ｇｒａｔｃｈ方程和相对湿度转换关系以及ＰＳＯ优化后的ＢＰ神经网络，分析出该设备内部的绝对湿度场㊂通过改变传感器的布点位置获得两种不同的温湿度场分布㊂最后对两种分布进行对比，可以得出该试验设备内部温湿度环境的状况㊂关键词：多路温湿度巡检仪；Ｇｏｆｆ－Ｇｒａｔｃｈ方程；绝对湿度场；ＢＰ神经网络中图分类号：Ｐ４１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０６－００４２－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨｕｍｉｄｉｔｙＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒＧｒｏｕｎｄａｎｄＳｏｕｎｄｉｎｇＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎＭＡＯＷｅｎ⁃ｊｉｅ１，２，３，ＬＩＵＱｉｎｇ⁃ｑｕａｎ１，２，３，ＳＵＮＸｉｎｇ１，２，３，ＬＹＵＭｉｎｇ⁃ｃｈｅｎ１，２，３（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｎｇｓｕＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｎＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４，Ｃｈｉｎａ；３．ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｈｕｍｉｄｉｔｙｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａ⁃ｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅｓｔａｂｌｅａｎｄｅｖｅｎｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ，ａｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆＡＲＭｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｍｕｌｔｉ⁃ｗａｙｓｗｉｔｃｈｓｅｌｅｃｔｏｒ，ｌｏｗ⁃ｎｏｉｓｅｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｎａｍｅｄｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌｔｅｍ⁃ｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｎ⁃ｓｉｄｅｔｈｅｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＴｈｅＢＰｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｗａｓｕｓｅｄｔｏｆｉｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｗａｓｐｌａｃｅｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｗａｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｂｙＧｏｆｆ⁃Ｇｒａｔｃｈｅ⁃ｑｕａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙ．ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｔｈｅＰＳＯ－ｏｐｔｉｍｉｚｅｄＢＰｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋａｎａｌｙｚｅｔｈｅａｂｓｏｌｕｔｅｈｕｍｉｄｉｔｙｆｉｅｌｄｉｎ⁃ｓｉｄｅｔｈｅｄｅｖｉｃｅ．Ｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｆｉｅｌｄｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｅｎｓｏｒｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｔｗｏｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｇｏｆｆ⁃Ｇｒａｔｃｈｅｑｕａｔｉｏｎ；ａｂｓｏｌｕｔｅｈｕｍｉｄｉｔｙｆｉｅｌｄ；ＢＰｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ０㊀引言大气的温度㊁湿度等参数是了解和分析天气预报和气象变化极其重要的依据，也是气候诊断预测㊁气候变化预估等进行科学研究必不可少的资料［１］㊂探空仪是采集大气中温度㊁湿度等参数的重要仪器㊂根据国际气象组织对高空气象探测的有关规定，探空仪在出厂前以及施放前要进行精度检验，以确定探空仪传感器的基点是否在允许范围内㊂所以需要用一个可靠的检验设备来测量传感器的技术指标㊂近年来，已有不少国内外学者就如何对探空传感器进行精度检验展开研究，其主要的方法是使用基测箱㊂然而基测箱每次只能检验一个探空传感器，对于施放探空仪量较大的气象站和探空仪厂家需要一种可检验多个探空传感器的温湿度环境试验箱㊂目前市面上没有针对探空传感器精度检验的温湿度环境试验箱，由于箱内部会存在一定的不均匀性，可能会影响探空仪传㊀㊀㊀㊀㊀第６期茆文杰等：适用于地面和探空观测的多路温湿度巡检仪设计４３㊀㊀感器的精度检验㊂为了测试温湿度环境试验箱能否达到检验探空传感器的标准㊂本文提出了一种针对于地面和探空观测的多路温湿度巡检仪系统和校验温湿度环境试验设备的一套算法㊂校验过程中需将探空仪放入温湿度环境试验箱内，由于环境试验箱内温度场存在分布误差会影响湿度传感器采集的相对湿度值㊂为消除温度造成的影响，湿度参数应以绝对湿度或露点作为参考，而非相对湿度㊂本文使用ＰＳＯ优化后的ＢＰ神经网络算法拟合出环境试验设备内温度和绝对湿度场的分布场来校验探空传感器的参数指标是否合格㊂１㊀多路温湿度巡检仪系统设计多路巡检仪系统是基于ＡＲＭ的Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３架构的ＳＴＭ３２Ｆ１０３处理器，主要有２４路信号采集通道（９路湿度传感器和１５路四线制ＰＴ１００），ＲＳ４８５通信接口，２４位ð－Δ模／数转换器ＡＤ７７９４，７英寸彩色液晶显示屏以及电源模块㊂有Ｕ盘拷贝数据（Ｅｘｃｅｌ格式或．ＮＨＤ格式）和电池供电等功能㊂整个系统的结构设计框图如图１所示㊂图１㊀系统框图１．１㊀多路温湿度巡检仪电路设计由于铂电阻具有精度高㊁性能可靠㊁抗氧化性好㊁物理化学性能稳定㊁有较高的电阻率等特点，所以本设计采用了铂电阻作为温度传感器［２］㊂湿度传感器选取的是ＨＣ２－Ｃ０４，ＨＣ２系列是基于ＡｉｒＣｈｉｐ３０００技术的数字湿度探头㊂ＨＣ２探头包含了ＨｙｇｒｏＣｌｉｐ独特技术的所有优势，具有热交换功能的探头以及有显著改善区域测量精度和功能的特点㊂同时ＨＣ２作为标准的独立设备，可作为模拟量输出信号或者应用数字接口㊂巡检仪共有１５个温度测量通道和９个湿度测量通道㊂使用四线制电桥法测温，不仅可以消除连接线阻值的影响，还可以消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响㊂采用高精度２４位ð－Δ模／数转换器ＡＤ７７９４对温湿度信号进行采集，为了保证信号的转换速率，同时要尽量降低ＲＭＳ㊂本文选择增益为１，更新速率为８．３３Ｈｚ，此时的ＲＭＳ为１．０４μＶ㊂但由于ＡＤ７７９４只具备６通道测量功能，不能满足２４通道测量的需求［３］㊂故选用单路十六选一，双路八选一的开关选择器ＡＤＧ７０６，作为ＡＤＣ的输入通道选择器㊂传感器通过开关选择器后连接到ＡＤＣ的差分通道上㊂由于ＡＤＣ采集到的是模拟信号，所以要将此模拟信号转换为数字信号来处理㊂它的基准电压会直接影响ＡＤ７７９４的转换精度㊂因此一个精准可靠的基准电压对Ａ／Ｄ转换是非常重要的㊂本文使用ＡＤＲ４４４ＡＲＺ芯片为ＡＤＣ提供一个４．０９６Ｖ的基准电源［４］㊂此电路的硬件结构框图如图２所示㊂图２㊀传感器系统框图本系统采集的是微弱信号，对噪声的处理尤为重要㊂传感器噪声的主要来源是来自系统内外的干扰㊂它的耦合方式有辐射耦合㊁直接耦合㊁电容耦合与电磁耦合等㊂本文在采用了电路布置时避免形成环路；回路设计时采用平衡方式；将数字和模拟电路的供电和接地分开布置；在供电的引脚放置ＬＣ滤波电路；在电路板外加一层金属屏蔽壳等措施来抑制噪声㊂１．２㊀温度㊁相对湿度和绝对湿度的换算关系现行的我国‘地面气象观测规范“采用的是戈夫－格雷奇（Ｇｏｆｆ－Ｇｒａｔｃｈ）公式来计算空气中的饱和水汽压［５］㊂也是世界气象组织推荐使用的一种计算方式㊂本文将其作为参考公式㊂在纯水的平面表面，０１００ħ范围内的饱和水汽压公式如下：ｌｇＥ＝１０．７９５７４（１－Ｔ１Ｔ）－５．０２８００ｌｇ（ＴＴ１）＋１．５０４７５ˑ１０－４ˑ［１－１０－８．２９６９（ＴＴ１－１）］＋０．４２８７３ˑ１０－３ˑ［１０４．７６９５５（ＴＴ１－１）－１］＋０．７８６１４（１）式中：Ｔ１＝２７３．１６ħ（水三相点温度）；Ｔ＝２７３．１５＋ｔ（ħ）（绝对温度）；Ｅ为纯水平面饱和水汽压，ｈＰａ㊂纯冰的平面表面，－１０００ħ范围的饱和水汽压公㊀㊀㊀㊀㊀４４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０２０㊀式如下：ｌｇＥ＝９．０９７１８（１－Ｔ１Ｔ）－３．５６６５４ｌｇ（Ｔ１Ｔ）＋０．８７６９３（１－Ｔ１Ｔ）＋ｌｇ６．１０７１（２）式中：Ｔ１＝２７３．１６（水三相点温度）；Ｔ＝２７３．１５＋ｔ（ħ）（绝对温度）；Ｅ为纯水平面饱和水汽压，ｈＰａ㊂一定环境温度下，相对湿度ＲＨ是空气中的待测空气中的实际水汽压强ｅ与该温度下的饱和水汽压强Ｅ的比值：ＲＨ（％）＝ｅＥˑ１００％（３）绝对湿度ρω也可用水的蒸气压来表示：ρω＝ｅＲＷ㊃Ｔ＝ｍＶ（４）式中：ｅ为水汽的实际压强；ｍ为在空气中溶解的水的质量；Ｖ为空气的体积；Ｒｗ为水蒸气的气体常数，４６２Ｊ／（ｋｇ㊃Ｋ）＝４６２Ｎ㊃ｍ／（ｋｇ㊃Ｋ）（１Ｊ＝１Ｎ㊃ｍ）㊂系统首先通过温度传感器测量出当前环境的温度ｔ，可由式（１）得到饱和水汽压Ｅ㊂然后读取湿度传感器采集值（相对湿度），可由式（３）求出当前水汽压强ｅ㊂最后将ｅ带入式（４）可计算出相应的绝对湿度ρω㊂１．３㊀ＵＩ界面设计此系统设计要将测量到的各通道温度㊁湿度信息在７英寸的ＬＣＤ屏上实时显示出来㊂不但可以显示数据，还可以直观观测出数据波形，同时还可以保存成时间对应点数据文件，方便后续数据调用㊂ＵＩ界面如图３所示㊂２㊀ＢＰ神经网络和粒子群算法拟合神经网络算法是一种当前使用非常广泛的算法，它的本质是由很多个小的非线性函数组成的大的非线性函数，反映的是输入变量到输出变量之间所存在的一种复杂的映射关系［６］㊂其中ＢＰ（ｂａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）是神经网络中最具有代表性而且最成功的算法之一㊂它由数据流的正向传播和误差信号的反向传播２个过程构成㊂即误差输出的计算是从输入层到输出层，而对权值和阈值的调整则是从输出层到输入层的㊂ＢＰ算法的目的是利用梯度下降法来调整输入节点与隐层节点的联接权重和隐层节点与输出节点的联接强度以及阈值，使得网络的实际输出值和期望输出值的误差均方差最小［７］㊂权值和阈值的初始值对ＢＰ神经网络可靠性的影响很大，为此本文提图３㊀ＵＩ界面图出了利用ＰＳＯ来寻找最优权值和阈值，避免ＢＰ神经网络陷入局部极小值，并提高其稳定性㊂粒子群算法（ＰＳＯ）是一种仿生算法，它是模拟鸟群觅食行为的智能优化算法，鸟群中的鸟在搜索空间中单独搜寻当前的个体极值（局部最优解），并将个体极值与整个鸟群里的其他鸟共享，找出最优的个体极值作为整个鸟群的当前全局最优解［８］㊂因为食物位置信息在鸟群间传递并不断更新，所以该算法能有更多机会求解全局最优解，避开局部最优解㊂使用ＰＳＯ优化ＢＰ神经网络的目的是通过粒子群算法得到网络最优初始权值和阈值［９］㊂本文使用的是经过ＰＳＯ优化后的ＢＰ神经网络，它包括输入层㊁隐含层和输出层［９］㊂然后建立一个三维的空间，以温湿度传感器在空间内的坐标（ｘ㊁ｙ㊁ｚ）作为输入层参数，将该坐标的温湿度值作为输出层，通过算法拟合可以获得坐标和温湿度值的函数关系㊂ＢＰ神经网络结构模型如图４所示㊂图４㊀ＢＰ神经网络模型图设定ＢＰ神经网络输入层神经元为３个，输出层神经元为１个，隐含层神经元为１２个，学习速率设为㊀㊀㊀㊀㊀第６期茆文杰等：适用于地面和探空观测的多路温湿度巡检仪设计４５㊀㊀０．０５，训练结果设为０．００１，训练次数设为５０００，粒子群算法的种群个数为４０，学习因子Ｃ１㊁Ｃ２为２，约束因子ｒ为１［１０］㊂将实验样本的９０％作为训练样本，通过ＭＡＴＬＡＢ对ＢＰ神经网络进行训练学习，并用另一部分数据进行测试㊂本文隐含层传递函数选择ｔａｎｓｉｇ，输出层传递函数选择ｐｕｒｅｌｉｎ㊂温湿度传感器在空间内的坐标和对应的温湿度值之间关系式如下：Ｕ＝ｐｕｒｅｌｉｎ｛ｔａｎｓｉｇ（Ｘ㊃Ｗ１ｊ＋Ｙ㊃Ｗ２ｊ＋Ｚ㊃Ｗ３ｊ＋θｉ）㊃Ｗｋｉ＋ａｋ｝（５）式中：Ｗ１ｊ㊁Ｗ２ｊ㊁Ｗ３ｊ分别为纵坐标Ｘ㊁横坐标Ｙ㊁高度坐标Ｚ对应的由输入层到隐含层的权值；Ｗｋｉ为隐含层到输出层的权值；θ１㊁θ２，，θ１２为隐含层阈值；ａｋ为输出层阈值㊂具体值如图５所示㊂Ｔ１Ｗ１ｊ１．０７０４２．００３２－２．２２６Ｗ２ｊ０．２０３１３．４７３０．８３５５Ｗ３ｊ－０．６３２－１．６６８－２．７７１Ｗｋｉ－０．７４６０．４７３７－０．０７６θｉ－４．９０３－１．５９４－３．４７３Ｔ２Ｗ１ｊ２．７９９４１．９９９－５．００３Ｗ２ｊ－０．１３５－０．５３７２．１１６２Ｗ３ｊ３．７２７０．０５３２－２．０７３Ｗｋｉ－０．２５１－０．２１５９０．０１６４θｉ－２．２２１．１５３０８－０．８７１Ｕ１Ｗ１ｊ１．０７０４２．００３２－２．２２６Ｗ２ｊ０．２０３１３．４７３－０．８３５５Ｗ３ｊ－０．６３２－１．６６８－２．７７１Ｗｋｉ－０．７４６０．４７３７－０．０７６θｉ－４．９０３－１．５９４－３．４７３Ｕ２Ｗ１ｊ２．７９９４１．９９９－５．００３Ｗ２ｊ－０．１３５－０．５３７２．１１６２Ｗ３ｊ３．７２７０．０５３２－２．０７３Ｗｋｉ－０．２５１－０．２１５９０．０１６４θｉ－２．２２１．１５３０８－０．８７１图５㊀训练后ＢＰ网络的权值和阈值图５中：Ｔ１㊁Ｔ２是将２组温度值作为输出层神经元的训练结果；Ｕ１㊁Ｕ２是将２组绝对湿度值作为输出层神经元的训练结果；输入层节点数ｊ＝１㊁２㊁３；隐含层节点数ｉ＝１㊁２㊁㊁１２；输出层节点数ｋ＝１㊂３㊀实验数据对比分析在此实验中选取的是ＹＧＭ－Ｃ系列的鉴定箱作为环境试验设备㊂为验证此设备内部两次的温度场和绝对湿度场是否稳定并且分布均匀㊂将环境试验设备设置温度为２０ħ㊁湿度为６０％ＲＨ，将温湿度传感器放置在试验设备内，并记录下传感器的位置㊂使用ＢＰ神经网络拟合出温度场Ｔ１的分布，再通过温度㊁相对湿度和绝对湿度的换算关系推出绝对湿度，然后拟合出绝对湿度场的分布Ｕ１㊂重复上述的实验流程，但改变各个温湿度传感器放置的位置㊂使用ＢＰ神经网络拟合出温度场的分布Ｔ２，和绝对湿度场的分布Ｕ２㊂在Ｔ１㊁Ｔ２的温度场中分别取３０个对应相同位置的点，然后对比每个点的温度值，对比结果如图６所示㊂图６㊀温度场结果对比在Ｕ１㊁Ｕ２的绝对湿度场中分别取３０个对应相同位置的点，然后对比每个点的绝对湿度，对比结果如图７所示㊂图７㊀绝对湿度场结果对比通过对这６０组数据进行分析和计算，温度场的最大绝对误差为０．０７ħ，均方根误差为０．０４１ħ；绝对湿度场的最大绝对误差为０．１ｇ／Ｌ，均方根误差为０．０６３ｇ／Ｌ㊂可得出该设备内部的温度场和绝对湿度场分布均匀而且稳定㊂４㊀结论本文设计了一种适用于地面和探空观测传感器的多路温湿度巡检仪系统，使用电流源和四线制的测量方式，通过开关选择器连接具有内置低噪声放大器的２４位ð－ΔＡＤＣ对温湿度信号进行采集㊂通过ＬＣＤ㊀㊀㊀㊀㊀４６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０２０㊀屏对温湿度数据进行实时显示，通道选择和采集时间间隔设定㊂并提出校验温湿度环境试验设备的一套算法㊂即通过ＰＳＯ优化的ＢＰ神经网络算法，拟合出温度场和绝对湿度场分布，判断试验箱内部的温湿度环境参数是否达标㊂最后该系统有望在今后的探空站和探空仪生产厂商进行推广和应用㊂参考文献：［１］㊀赵传湖，盛立芳，孙即霖．天气和气候的变化与预测［Ｍ］．青岛：中国海洋大学出版社，２０１４．［２］㊀王龙，李晓晖，许广文，等．高精度铂电阻测温仪的设计与实现［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２０１３（６）：５９－６１．［３］㊀吕卫，赵佳丽．一种低功耗高精度的ＮＢ－ＩｏＴ温度采集系统设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１８，３１（６）：２０－２４．［４］㊀叶炳金．基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ现场总线的温度变送器设计与实现［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１３．［５］㊀刘清惓，高翔，陈传寅，等．基于ＭＥＭＳ传感器的水汽测量系统［Ｊ］．传感技术学报，２０１４（６）：８５２－８５６．［６］㊀边后琴．基于支持向量的径向基函数神经网络的训练算法［Ｄ］．武汉：武汉科技大学，２００２．［７］㊀ＴＡＶＡＮＡＥＩＡ，ＭＡＩＤＡＡＳ．ＢＰ－ＳＴＤＰ：Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｎｇｂａｃｋ⁃ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｓｐｉｋｅｔｉｍｉｎｇｄｅｐｅｎｄｅｎｔｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ［Ｊ］．Ｎｅｕ⁃ｒｏｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２０１９，３３０（２２）：３９－４７．［８］㊀刘晶晶．粒子群优化算法的改进与应用［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００７．［９］㊀ＬＩＵＢ，ＪＩＮＹ．ＡｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅＰＳＯ－ｂａｓｅｄｍｅｍｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＴＳＰ［Ｊ］．ＬｅｃｔｕｒｅＮｏｔｅｓｉｎＣｏｎｔｒｏｌ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００６，３４５：１１５１－１１５６．［１０］㊀郑绪枝，雷靖，夏薇．基于快速确定隐层神经元数的ＢＰ神经网络算法［Ｊ］．计算机科学，２０１２，３９（Ｓ１）：４３２－４３６．作者简介：茆文杰（１９８８），硕士研究生，主要研究方向为传感器设计及其信号处理㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３７９７６４６３４＠ｑｑ．ｃｏｍ刘清惓（１９７９），教授，博士生导师，主要研究方向为ＭＥＭＳ传感器技术㊁气象探测㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｑｌｉｕ＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第４１页）且各方向上均有有效的电能输出，验证了双自由度圆弧形压电能量收集器在多方向收集和宽频带收集上的潜力㊂参考文献：［１］㊀陆颢瓒，朱宇宬，张焕卿，等．多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计［Ｊ］．微电子学，２０１９，４９（１）：９３－１０１．［２］㊀ＨＡＲＮＥＲＬ，ＷＡＮＧＫＷ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｖｉａｂｉｓｔａｂｌｅ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１３，２２：０２３００１．［３］㊀ＫＩＭＭ，ＯＨＹ．ＫＡＮＧＹ．ｅｔａｌ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔｒａｉｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｔｏｍｕｌｔｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｎｐｕｔｆｏｒｃｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｅｌｆ⁃ｐｏｗｅｒｅｄｍｏｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ［Ｃ］．ＩＥＥＥ，２０１７．［４］㊀ＫＡＵＳＨＡＩＳ，ＤＵＢＥＹＰＫ，ＰＲＡＢＨＵＤＥＳＡＩＧ，ｅｔａｌ．Ｎｏｖｅｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｗｉｄｅｂａｎｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ（Ｐ－ＶＥＨ）［Ｃ］．ＶＬＳＩＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔ，２０１５，６：１－５．［５］㊀ＩＤＯＧＡＫＩＴ，ＴＯＭＩＮＡＧＡＴ，ＳＥＮＤＡＫ，ｅｔａｌ．Ｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｅｘｐａｎｄｉｎｇｍｏｔｉｏｎａｃｔｕａｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓ⁃ｉｃａｌ，１９９５，５４（３）：２５－２９．［６］㊀ＡＮＤÒＢ，ＢＡＧＬＩＯＳ，ＭＡＩＯＲＣＡＦ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｗｏｄｉｍｅｎ⁃ｓｉｏｎａｌ，ｗｉｄｅ⁃ｂａｎｄ，ｂｉｓｔａｂｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，２０２（１１）：１７６－１８２．［７］㊀刘延柱，陈文良，陈立群．振动力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０００：６－４３．［８］㊀ＹＩＪＷ，ＳＨＩＨＷＹ，ＳＨＩＨＷＨ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｌｅｎｇｔｈ，ｗｉｄｔｈ，ａｎｄｍｏｄｅｏｎｔｈｅｍａｓｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｕｎｉ⁃ｍｏｒｐｈｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，２００２，９１（３）：１６８０－１６８６．［９］㊀朱波．基于压电材料的环境振动能量采集［Ｄ］．南京：南京航空航天大学，２０１３．［１０］㊀刘祥建，陈仁文．压电振动能量收集装置研究现状及发展趋［Ｊ］．振动与冲击，２０１２，３１（１６）：１６９－１７６．［１１］㊀刘兵，虞梦琳，谷旺，等．两端固支梁振动能量收集器的结构设计及优化［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１８，２０６：１－３．［１２］㊀ＲＡＯＳＳ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：ｐｅｒｇａｍｏｎｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｌｉｂｒａｒｙｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｓｏ⁃ｃｉａｌｓｔｕｄｉｅｓ［Ｍ］．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，２０１３：１０－１３．作者简介：宋娟（１９７９），副教授，主要研究方向为电气控制与自动化㊁智能控制㊁智能仪器仪表㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：５８１８６１９０＠ｑｑ．ｃｏｍ通讯作者：王德波（１９８３），副教授，博士后，研究方向为微机电系统能量收集器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｄｂ＠ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。

多功能温湿度智能测控仪系统框图

多功能温湿度智能测控仪系统框图我国是人口大国，粮食、蔬菜消费尤其巨大，粮食的储藏安全及蔬菜等的供应显得极为重要。

其中，温湿度控制对于粮食安全储藏及温室蔬菜等健康生长具有非常重要的作用。

随着生活水平的提高，人们也开始关注自己的居住环境，温湿度也是人们关注的焦点。

但是，传统的温湿度控制方法通常是基于一些仪器仪表进行检测，并通过巡检员流动检查仪表数据，若发现有异常数据，再采取对应的调节措施。

该办法工作效率低，并且不能实时根据环境因素的变换及时控制相应的设备工作，造成一定的经济及健康损失。

因此，有必要设计一款可以实时检测及控制不同应用场合环境温湿度的仪器。

图1为多功能温湿度智能测控仪系统框图，核心控制器基于温湿度传感器采集环境的温湿度信息，并结合内置的信息处理及决策算法，发布对不同应用场合控制设备的控制命令，并通过液晶显示器实时显示环境的温湿度信息。

该系统包括温湿度传感器检测模块、核心控制器信号处理决策模块、驱动控制模块、显示模块、报警模块。

温湿度传感器检测模块主要是检测环境的温湿度信息; 核心控制器分析处理环境的温度信息，结合内置的智能算法，发出控制命令; 驱动控制模块接收单片机发出的控制命令，实现对不同应用场合环境的实时控制;显示模块实时显示环境的温湿度信息，有利于现场人员与控制系统的人机交互功能;报警模块用来提醒仓库保管员、温室技术人员、用户警觉环境温湿度发生变化，及时查看自动系统是否开始调节环境的温湿度。

本系统基于温湿度传感器，以AT89C52单片机为主控芯片，设计了多功能温湿度智能测控仪系统，实现了对环境温湿度信息的实时监测及根据不同场合的需要实时调节环境温度。

下一步，可以通过互联网将温湿度数据传送至云服务器，操作员可以通过手机、PAD等信息终端实时在线监控数据，并结合大数据技术，使系统能够实时自主分析，为用户提供更加科学合理的建议，实现智能远程管理。

智能家居中的湿度智能监测系统设计与实现

智能家居中的湿度智能监测系统设计与实现随着科技的不断发展，智能家居在人们的生活中扮演越来越重要的角色。

智能家居的一个核心特点就是智能化，即让家居设备自动化地运转。

其中，湿度监测是智能家居不可或缺的一部分。

一个行之有效的湿度监测系统能够帮助人们更好地掌握家居环境的变化，从而适时地做出调整。

本文将从实际应用的角度，介绍湿度智能监测系统的设计和实现。

第一部分设计方案1. 湿度传感器的选用湿度传感器作为湿度监测系统最核心的器件，对于系统的性能和稳定性具有决定性作用。

我们可以从以下几个方面来看传感器的选用：1）传感器的精度：精度越高，获取到的湿度数据越准确，反之则容易出现误差；2）传感器的响应速度：如果响应速度太慢，会影响到数据的实时性，从而无法及时调整；3）传感器的稳定性：一款好的传感器应该能够在长时间的使用过程中保持较为稳定的性能，避免因为传感器本身的变化而导致测量误差；4）传感器的抗干扰能力：避免由于干扰而导致的数据误差。

考虑到以上因素，我们可以选用市场上较为成熟的湿度传感器型号SHT31。

该型号传感器精度高，响应速度快，稳定性好，且有较强的抗干扰能力。

值得注意的是，在对传感器进行使用的时候，需要注意其安装位置，避免环境与湿度传感器的接口管路污染或水浸。

2. 数据采集与处理模块湿度监测系统的数据采集与处理模块，需要具备一定的数据处理算法，同时采用合适的模块能够提高总体的显示效果和使用性。

为了能够充分利用传感器采集到的湿度数据，我们可以采用Arduino Nano V3开发板和SHT31湿度传感器。

Arduino Nano V3开发板拥有微小体积、简便使用、易于扩展等优势，能够满足湿度智能监测系统对多功能应用的需求。

3. 数据传输与存储模块通过WiFi模块进行数据传输是比较可行的一个方案。

通过编写程序，Arduino Nano V3可以连接WiFi模块，并利用HTTP协议将数据发送到服务器上，这样就可以实现数据远程存储。

双通道微波密度湿度检测仪信号源设计

双通道微波密度湿度检测仪信号源设计双通道微波密度湿度检测仪(以下简称检测仪)信号源设计是指用于提供输入信号给检测仪进行测量的设备或电路。

在设计双通道微波密度湿度检测仪信号源时，需要考虑信号的频率、稳定性、精度和输出功率等因素。

下面将对双通道微波密度湿度检测仪信号源设计的一些关键方面进行介绍。

首先是信号源的频率。

在双通道微波密度湿度检测仪中，通常会使用微波频段的信号进行测量。

最常用的微波频段是2.4GHz，因为它在工业应用中具有较广泛的应用，并且设备成本较低。

因此，在设计双通道微波密度湿度检测仪信号源时，可以选择使用2.4GHz的信号源。

其次是信号源的稳定性和精度。

在双通道微波密度湿度检测仪中，要求信号源的频率具有较高的稳定性和精度。

这是因为在测量过程中，微小的频率变化或者误差会导致测量结果的不准确。

因此，在信号源设计中，需要选择稳定性较高的晶振或时钟源，并采用相应的稳定化回路和精度校准措施，以确保信号源的频率稳定性和精度。

另外一个重要的考虑因素是信号源的输出功率。

在双通道微波密度湿度检测仪中，输出功率的选择需要根据具体的测量要求来确定。

一般来说，输出功率越高，能够传输的距离越远，但是也会增加功耗和器件成本。

在实际设计中，需要根据具体应用需求，权衡功率和成本之间的关系，选择合适的输出功率。

在实际设计中，可以采用市售的微波信号源模块，并进行相应的调试和校准，以满足双通道微波密度湿度检测仪的需求。

同时，还可以结合特定的电路设计和滤波器设计，以满足具体的测量要求和性能指标。

总之，双通道微波密度湿度检测仪信号源设计需要考虑频率、稳定性、精度和输出功率等因素。

通过选择合适的信号源模块，并进行适当的调试和校准，可以满足双通道微波密度湿度检测仪的需求。

多路温湿度巡检仪的设计与制作原理图

g f com a b
g f com a b
g f com a b
g f com a b
g f com a b
XTAL1 22pF G1 11.0592MHz C36
STC89C52-DIP
GND DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
显示系统
F1 U5A 74HC20 6 KEY3 KEY4 4 5 10 9 74HC20 U5B P5 8 INT0 1 2 VH-2P 15VAC2 C37 2200uF/35V C20 0.1uF C38 470uF C21 0.1uF C39 0.01uF VOICE R33 4.7K VCC GND S1 S2 Q8 PNP KEY1 C24 A S4 GND 0.1uF KEY2 C26 S3 GND 0.1uF +15V R15 15 KEY4 C23 0.1uF GND Title Size A2 Date: File: 7 17-Oct-2012 Sheet of E:\南工院工作\大三的实训 \多路温湿度巡检仪的设计与制作\温湿度检测 0.Ddb Drawn By: 8 GND KEY3 C27 GND 0.1uF C7 0.1uF 1 D3 U8 IN 7805
Q2 9012 R27 5.1K
Q3 9012 R28 5.1K
Q4 9012 R29 5.1K
Q5 9012 R30 5.1K
Q6 9012 R37 5.1K
Q7 9012
D1 1N4148
a f g b e c d
dp
LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7

多路温度湿度监控系统设计

毕业设计（论文）多路温度湿度监控系统设计学院名称学院名称专业名称专业名称学生学号学生学号学生姓名学生姓名指导教师教授姓名助理指导老师老师姓名202 年月多路温度湿度监控系统设计摘要在日常生活中，温度和湿度都是常用的物理量，监控温度和湿度对生活有着重要的作用，因此有必要设计温度湿度监控系统。

在这里设计一种多路温度湿度监控系统，这种系统有诸多优点，并且有较为广泛的应用。

该系统能在液晶显示器上显示室内外温度和湿度、年、月、日、星期、时、分、秒等实时时间。

为满足测温测湿范围、精度和超限报警等要求，室内外温、湿度的测量采用数字温湿度传感器；为显示实时时钟，采用专用集成数字时钟芯片；为便于监控室内外的温、湿度，设计了温、湿度采集探头；室内外探头与室内主机之间的数据传输采用无线传输方式。

该系统充分利用各模块的特点，除了具有测量误差小、精度高、电路简单、操作方便、安全可靠等特点，成本低、功耗小的特点使该系统拥有更广的应用前景。

关键词：单片机；温度湿度传感器；数字时钟；液晶显示器；无线收发；警报The Design of Multi-channel Temperature andHumidity Monitoring SystemAbstractIn our daily life , temperature and humidity are both common physical quantities , temperature and humidity monitoring plays an important role . Therefore the design of temperature and humidity monitoring system is necessary . Here is a design of multi-channel temperature and humidity monitoring system , this system has a lot of advantages , and it has a wide application . This system can show indoor and outdoor temperature and humidity on LCD , it can also show these : year , month , date , week , hour , minute , second and other real time . In order to meet the requirements of temperature and humidity measurement range , precision , executive alarm and other functions , use digital temperature and humidity sensor to measure temperature and humidity indoor and outdoor ;use special integrated digital clock chip to display digital clock;design probe of collecting temperature and humidity used to monitor temperature and humidity indoor and outdoor more conveniently ; the mode of data transmission between the probe and the main engine indoor is wireless transmission . This system takes full advantage of every module , except little measurement error , high accuracy , simple circuit , easy operation , safe and reliable and other advantages , low cost and low power consumption bring a much more broader prospect for the system .Key words：MCU ; Digital temperature and humidity sensor ; Digital clock ; LCD ;Wireless transmission ; Alarm目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 课题的背景和目的 (1)1.2 数字化技术的发展趋势以及前景 (1)1.3 课题的任务与要求 (2)2 系统设计 (4)2.1 系统设计的总体方案 (4)2.2 各部分器件的选择 (4)2.2.1 单片机的选择 (4)2.2.2 温湿度传感器的选择 (5)2.2.3 语音时钟芯片的选择 (5)2.2.4 无线收发模块的选择 (6)2.2.5 液晶显示模块的选择 (6)3 硬件电路设计 (7)3.1 系统硬件电路总体设计 (7)3.2 单片机外围硬件电路设计 (7)3.2.1 单片机引脚说明 (7)3.2.2 单片机电路设计 (9)3.3 温湿度传感器部分的硬件电路设计 (10)3.3.1 SHT11引脚介绍 (10)3.3.2 温湿度传感器与单片机的接口电路设计 (11)3.4 语音时钟部分的硬件电路设计 (13)3.4.1 WT1380 管脚排列分布图及介绍 (12)3.4.2 语音时钟模块与单片机的接口电路设计 (14)3.5 无线收发模块的硬件电路设计 (144)3.5.1 nRF401引脚图及说明 (14)3.5.2 无线模块与单片机的接口电路设计 (16)3.6 液晶显示模块的硬件电路设计 (17)3.6.1 OCMJ2X8（128X32）引脚说明 (17)3.6.2 液晶显示模块与单片机的接口电路设计 (17)3.7 RS232串行通信电路设计 (18)3.8 键盘电路设计 (18)4 软件设计 (20)4.1 系统软件总流程图 (20)4.1.1 室内系统的总流程图设计 (20)4.1.2 室外系统的总流程图设计 (21)4.2 温度、湿度部分软件设计 (22)4.2.1 温度、湿度部分软件设计 (22)4.2.2 语音时钟部分的软件设计 (23)4.2.3 液晶显示部分的软件设计 (24)4.2.4 键盘部分的软件设计 (25)4.3 无线收发模块的软件设计 (26)结论 (27)致谢 (28)参考文献 (29)附录A 硬件电路总原理图 (30)附录B 温湿度检测部分的程序 (31)1 绪论1.1 课题的背景和目的在生活、工业、农业以及军事上，都要测量环境的温度、湿度。

多通道温湿度监测记录仪

多通道温湿度监测记录仪BYTFSR-2WS多通道温湿度监测记录仪采用高性能微处理器为主控CPU，大容量数据存储器，可连续存储整点数据60天以上，存储时间可根据要求设定。

工业控制标准设计，便携式防振结构，大屏幕液晶显示屏，轻触按键，适合在恶劣工业环境使用。

具有停电保护功能，当交流电停电后，由充电电池供电，可维持72小时以上。

二．应用领域1、房屋保温、保湿性能评价2、温室、大棚的温度湿度管理监测3、仓库的温度管理和温度控制4、蘑菇栽培的温度湿度管理5、火车、地铁中的温度湿度监测控制6、以及其它领域的温度湿度监测三．技术指标1．温度:（10米范围测量，增加驱动器可增加测试距离）通道数:16路测量范围:-50～300℃测量精度:±0.1℃分辩率:0.1℃2．湿度:通道数:16路测量范围:0～100%测量精度:±2%RH分辩率:±0.1%RH3. 通讯接口: 标准RS232接口，与管理微机有线连接,实时传送采集数据。

4. 供电方式:交流:220V 直流:12V 内配充电电池，充满电连续使用时间大于72小时。

5. 记录存储:记录仪数据自动存储（存储时间0;-;1小时内可设定）6. 微机管理软件:BYTFSR-2WS型温湿度监测系统软件可在WINDOWS98以上环境运行，实时显示各路数据，每隔10秒更新一次，接收记录仪数据自动存储，与打印机相连自动打印数据，数据存储量达一年以上，数据存储格式为EXCEL标准格式可供其它软件调用。

7. 数据存储容量:4000条以上（每条记录16路温度，16路湿度，日期，时间）。

8. 存储内容:16路温度，16路湿度，日期，时间。

9. 存储间隔:0～1小时内任意设定。

10.传感器结构:密封防水，电缆长度10米，贴片或圆柱型。

11.仪器尺寸:340*150*300mm12.显示方式:大屏幕液晶图形，汉字显示，可一屏显示多路数据。

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目录一、前言： (1)1.1、湿度的定义： (1)1.2、湿度测试的意义： (1)二、总体方案设计： (2)2.1、方案比较： (2)2.2、方案论证： (2)2.3、方案选择： (3)三、单元模块设计： (4)3.1、各单元模块功能介绍及电路设计： (4)3.2、电路参数的计算及元器件的选择： (6)3.3、特殊器件的介绍： (8)四、软件设计： (11)4.1、软件的组成结构 (11)4.2、软件各个模块的实际操作： (11)4.3、程序 (12)五、系统调试： (18)5.1、模块调试 (18)5.2、系统的调试 (18)六、系统功能、指标参数： (20)6.1、功能的实现 (20)6.2、系统的测试方法 (20)七、设计总结： (23)8、参考文献 (24)一、前言：1.1、湿度的定义：在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。

日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。

总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。

湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。

对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。

空气湿度表示大气干燥程度的物理量。

在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。

空气的干湿程度叫做“湿度”。

在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示；若表示在湿蒸汽中液态水分的重量占蒸汽总重量的百分比，则称之为蒸汽的湿度。

空气的温度越高，它容纳水蒸气（水蒸气与水汽是不同的）的能力就越高。

虽然水蒸气可以与空气中的部分成分（比如悬浮的灰尘中的盐）进行化学反应，或者被多孔的粒子吸收，但这些过程或反应所占的比例非常小，相反的大多数水蒸气可以溶解在空气中。

干空气一般可以看作一种理想气体，但随着其中水汽成分的增高它的理想性越来越低。

这时只有使用范德华方程才能描写它的性能。

理论上“空气中的水蒸气饱和”这个说法是不正确的，因为空气中的水蒸气的饱和度与空气的成分本身无关，而只与水蒸气的温度有关。

在同一温度下真空中的水蒸气的饱和度与空气中的水蒸气的饱和度实际上是一样高的。

但出于简化一般人们（甚至在科学界）使用“空气中溶解的水蒸气”或“空气中的水蒸气饱和”这样的词句。

在这篇文章中我们也使用这些常用的词句。

1.2、湿度测试的意义：在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。

对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一,但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。

此外，湿度的校准也是一个难题。

国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。

二、总体方案设计：2.1、方案比较：现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。

下面对这两种方案进行比较，以便选择适合的湿度测量方法。

（1）方案一：干湿球湿度计：早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。

干湿球湿度计的准确度只有5％一7％RH 。

图2.1.1 干湿球湿度计框图（2）方案二：湿度传感器：湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。

湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％一3％RH 。

图2.2.2 湿度传感器框图2.2、方案论证：（1）方案一：干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。

干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。

与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。

所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。

（2）方案二：在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。

一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。

电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。

湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。

所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。

2.3、方案选择：综合方案一与方案二，方案二有以下几点优势：（1）能够感受环境中的湿度变化。

（2）能够将环境中的湿度变化转化为电信号。

（3）系统能够对采集到的湿度信号进行分析处理。

（4）能够将环境中的湿度以相对湿度的形式显示出来便于观察记录。

（5）系统反应快、灵敏度高、稳定性好，具有一定的抗干扰能力。

（6）电路简单，操作方便、性价比高、实用性强。

故，选择方案二来实现本次课程设计。

三、单元模块设计：3.1、各单元模块功能介绍及电路设计：（1）信号采集模块设计本设计为智能式湿度传感器的设计，信号采集模块主要是用于测量环境中湿度变化，并将湿度变化转变成电信号的变化。

因此，我们需要一个湿度传感器。

和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。

每提高—个百分点．对传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。

因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。

例如进口的1只廉价的湿度传感器只有几美元，而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。

所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

DHT11的性能也很良好，其供电电压： 3.3~5.5V 单总线数字信号测量范围：湿度20-90%RH，温度0~50℃；测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃；分辨率：湿度1%RH，温度1℃；互换性：可完全互换，长期稳定性：<±1%RH/年。

综合看来，DHT11传感器性能良好，体积小巧、接口简单、响应速度快、性价比高，可以作为理想的湿度传感器选择。

（2）数据处理模块本设计对数据处理模块的要求是能够接受传感器采集的信号，并对信号进行处理传送到显示模块进行显示。

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。

结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。

CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。

采用Harvard双总线结构，运行速度快(指令周期约160～200ns)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。

此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。

PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。

I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn , 其中n对应各口，如A、B、C、D、E等）。

当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。

它的A/D为10位，能满足精度要求。

因此本设计选用PIC系列的单片机16F877A作为本次温湿度传感器的控制器件。

因为单片的编程简单，指令精简，运行速度较快，具有地工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。

他可以直接驱动数码管显示，外围电路设计简单，A/D位为10位，能够满足精度要求。

因此综合从单片机的性能、速度、性价比、工作量等方面考虑选择PIC系列的单片机。

（3）显示模块的选择本设计的显示模块要求能够一目了然的显示出环境中的湿度，我们可以采用LCD液晶屏显示或者LED数码管显示。

LCD液晶屏属于工业字符型液晶，能够显示16x02即32个字符。

LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2~3伏特的电压就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同事可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、区县，比传统的数码LED显示器的界面有了质的提高。

在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。

LCD的优点：①显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种②色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。

③数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。

④功耗小，相比而言液晶显示的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因为耗电量比其他器件要小的多。

LED数码管的性能特点：①能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

②发光响应时间极短(<0．1μs)，高频特性好，单色性好，亮度高。

③体积小，重量轻，抗冲击性能好。

④寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。

成本低。

因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

本课程设计正是用LCD 来完成显示模块的。

3.2、电路参数的计算及元器件的选择：（1）硬件电路组成：图3.2.1 硬件电路的组成①使用DHT11智能式湿度传感器感受环境中的湿度变化转变为湿度信号，此信号为数字信号，简化了硬件电路的对模数转换设计部分同时也简化了软件编程；②DHT11通过它的一条数据线与PIC单片机的数据接口相连，将采集到的湿度信号送入PIC 单片机；③PIC单片机收到信号后，对其进行分析、处理，得到准确可靠的湿度数据；④单片机通过SPI模式将数据同步串行的输出到数码管上进行显示。

（2）湿度信号采集模块电路DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。