多传感器的高精度湿度测量仪

多传感器的高精度湿度测量仪

唐慧强,张　敏

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京　210044)

摘　要:介绍了一种湿度测量仪的设计方案,给出了硬件设计的总体框图;详细阐述了3款湿度传感器的信号采集电路;介绍了显示电路、电源模块、通讯接口以及湿度信号采集电路的软件设计。电路设计以高性能的JN5121为核心,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比,并利用低功耗、低价格及性能稳定的Zig Bee 技术构成了无线传感器网络。

关键词:湿度测量仪;ADS1218;JE NN I C5121

中图分类号:TP212;S126 文献标识码:A文章编号:1003-188X(2010)04-0160-04

0　引言

空气湿度与人类密切相关,人们的日常生活、生产活动以及动植物的生产和生存都与周围环境的湿度息息相关。相对于其他环境参数,湿度是最难准确测量的要素之一。温度是独立的被测量,而湿度却要受其他因素(大气压强或温度)的影响。传统的湿度测量大多采用有线测控系统,降低系统的灵活性、可维护性与可扩展性[1]。

无线自组传感器网络集传感器技术和网络通讯技术于一身,涉及信息采集、处理和传输等技术,在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面都潜在巨大的应用价值[2]。为此,利用多传感器融合实现高精度智能湿度传感器的研制,并利用Zig Bee协议栈的无线传输方式构建无线传感网络,使高精度湿度传感器成为气象观测系统的一个有效节点。

1　硬件设计

1.1　设计方案

湿度采集系统主要通过多个不同类型的湿度传感器来采集湿度信息。数字输出的智能湿度传感器、电压输出湿度传感器以及电容输出湿度传感器各自构建湿度测量电路,并连接到单片机进行湿度信息的处理和传输。单片机选用兼容I EEE802.15.4的低功耗低成本的JN5121。JN5121模块将采集到的多个湿度信息进行处理和融合后得到高精度的湿度测量值,然

收稿日期:2009-06-17

作者简介:唐慧强(1965-),男,浙江嘉兴人,教授,(E-mail)thq@ 。

通讯作者:张　敏(1986-),女,江苏泰州人,硕士研究生,(E-mail) zhang m in860126@。后通过Zig Bee来建立一个无线自组织传感网络。系统硬件结构图如图1所示

。

图1　系统硬件结构图

1.2　传感器模块设计

1.2.1　SHT75数字输出传感器

SHT75是一款集成的温湿度传感器芯片,提供全量程标定的数字输出。相对湿度的测量范围为0～100%,分辨力达0.03%RH,精度为±1.8%RH,迟滞为±1%RH,长期稳定<0.5%RH/YR。温度的测量范围为-40～+123.8℃,分辨力为±0.3k。其测量原理为:首先,利用两只传感器分别产生相对湿度和温度的信号;然后,经过放大分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错;最后,通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。

SHT75是4引脚单排直插型芯片,通过二线串行接口电路与微控制器连接。其中,串行时钟输入引脚SCK与JN5121芯片中D I O14口(SI F_CLK)相连。串行数据引脚DAT A是三态门结构,与JN5121的D I O15口(SI F_D)相连;DAT A在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。因此,微控制器可以在SCK高电平时读取数据,而当其向SHT75发送数据时,则必须保证DAT A线上的电平状态在SCK高电平段稳定。为了避免信号冲突,微控制器仅驱动

DAT A 在低电平,在需要输出高电平的时候,微控制器

将引脚置为高阻态,并由外部上拉电阻将信号拉至高电平。

1.2.2　H I H4000-003电压输出传感器

H I H4000-003电压输出传感器是一款与相对湿

度成线性电压输出的湿度传感器。200

μA 的工作电流使得该传感器适宜于电池供电系统。相对湿度的测量范围是0～100%,测量的精度为±3.5%RH ,迟滞为±3%,稳定性为±0.2%RH /YR ,使用的温度范围为-40～+85℃。

H I H4000-003是3引脚单排直插型封装,此传感

器输出为电压信号,需要将信号进行模数转换才能连接到微控制器,输出信号连接到高精度模数转换器ADS1218的A I N 0口。

传感器需要通过温度补偿和非线性补偿来提高精度。温度测量来自于SHT75,通过读取存贮的零点和线性度校正系数后,利用软件来实现补偿和非线性校准。具体电路如图2所示

。

图2　模数转换电路

补偿部分为温度补偿,其公式为

TrueRH =Sens or RH /(1.0305+0.000044T -010000011T 2

)

式中,T 的单位为℃。

1.2.3　HTS2030S MD 电容输出传感器

HTS2030S MD 基于电容测量湿度和NT C 电阻来

测量温度。测量相对湿度范围是1%～99%,10V 电压供电。迟滞为±1%,稳定性为±0.5%RH /YR ,使用的温度范围为-60～140℃。

采用典型的T LC555时,基电容测量电路如图3所示。传感器与U12的2和6脚相连接。电路通电时,U13通过R14,R15和R16充电;此时,U12第3脚输出高电平;当U13端电位上升至触发电平时,U12第7脚与地短路,U13通过R14和R15放电至截至电平;此时,U12的第3脚输出低电平。充电时间t 1为

t 1=(R 14+R 15+R 16)C ln

2-k

2(1-k )

放电时间t 2为

t 2=(R 14+R 15)C ln2

式中,k 为T LC555第5脚电位与电源VCC5V 的比值。该值可由连接至T LC555第5脚的电位器R17调节,主要用于T LC555电路内部设计不平衡的补偿,不同品牌的555电路补偿有所不同,仅调节R17的值

即可以实现匹配。

图3　555振荡电路

相对湿度发生改变时,传感器的电容量也发生变化,由T LC555的第3脚输出频率与相对湿度相对应

的方波信号,JN5121的D I O 9口(TI M 0_CAP )测量输出信号的周期便可知环境的相对湿度。电路输出频率为

f =

1

[(R 14+R 15+R 16)ln 2-k

2(1-k )

+(R 14+R 15)ln2]C

由于U13充放电回路的电阻值不同,为求得50%的输出占空比,一般取R15远大于R16。此时,输出频率可简化为

f =

1

C (R 14+R 15)ln

2-k

1-k

也可简化为

f =

1

C (R 14+R 15)ln2

补偿部分:在不同的湿度情况下,电容量会有所不同,如表1所示。可以通过以下公式进行修正,即