基于单片机的智能温湿度采集器

第1章绪论1.1 课题研究背景和意义温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

在整个宇宙当中，温度无处不存在。

无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。

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。

湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。

绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高[1]。

温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。

并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。

温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素，但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。

这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。

含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据存储，运算逻辑判断及自动化的功能，有着智能作用。

随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作，自动控制各种仪器调整环境温度湿度。

目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定，为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度信息，并能进行温湿度控制的测控产品。

总之，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。

1.2国内外的研究现状1.2.1 温度传感器集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。

其种类很多，大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。

集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面：1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。

2.温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。

3.特殊应用：例如，热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁（仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言）及液晶显示器表面温度监测等[2]。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625℃。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。

例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。

另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线[3]。

1.2.2 湿度传感器湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。

湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。

空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。

现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

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。

以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%~99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。

当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF~202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。

这些产品可分成以下三种类型：(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

(3)频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。

它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。

当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），体积与火柴头相近。

出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。

它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。

测量相对温度的范围是0~100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。

测量温度的范围是-40℃~ 123.8℃，分辨力为0.01℃。

测量露点的精度[4]。

1.3 本文的主要工作和结构安排本设计以STC89C52单片机为核心来对多点温湿度进行实时巡检。

各检测单元(从机)能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度进行时时采集。

并将采集来的信息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户，如果采集的信息超出了预设范围，闪烁灯和蜂鸣器都将给出报警示意用户，以便做出及时决定。