相对湿度测量仪设计

·149 ·
第 32 卷
电 子 测 量 技 术
表 1 相对湿度测试结果
使用的Leabharlann Baidu和盐 理论湿度值 实际产生湿度值 误差
MgCl2 NaBr
32. 8 57. 6
35. 0
2. 2
59. 0
1. 4
NaCl
75. 3
73. 0
- 2. 3
KCl
84. 2
82. 0
- 2. 2
KNO3
93. 6
2 软件设计
配合硬件电路 ,软件设计应完成信号的数据采集 、4 位 L ED 的湿度数字显示[8] 、按键设定以及开关量的输出等功 能 。据此 ,程序设计采用模块式结构 ,包括主程序 、中断处 理子程序 、按键查询子程序 、标度变换子程序 、显示子程 序 、报警子程序等 。 2. 1 主程序
主程序流程图如图 4 所示 。 主程序的系统初始化包括设置堆栈指针 ,定时器 T0 、 计数器 T1 初始化 ,特殊寄存器初值设定 ,显示初值设定等 。 然后就是主要调用执行 L ED 显示 、T0 定时溢出中断 、标度 变换 、按键查询等子程序模块 。
[ 3 ] C8051 F020/ 1/ 2/ 3. 64k ISP FL AS H MCU Family , Rev , 1. 4. U SA ; SiliconLabo ratories , 2003 [ Z/ OL ] . http :/ / www. xhl. co m. cn/ xhl/ downfile/ e2 C8051 F02x. p df .
Design of relative humidity meter
Cui Guoli Liu Gang
( Inner Mongolia Universit y of Technology , Ho hhot 010051)
Abstract :Int roductio n Based on C8051 F020 MCU and wit h t he R E2doped TiO2 humidity senso r relative humidity measuring inst rument design. Detail t he system’ s hardware co mpo nent s , t he f unctional part of t he circuit design and system software design. Give t he circuit schematic , microco nt roller p rogramming flow. The inst rument has high accuracy and temperat ure readings f ro m t he value of t he impact of low2co st , easy to p ro mote , such as significant advantages. Keywords : C8051 F020 ;humidity senso r ;humidity meter
发生器输出的 UO1 信号通过缓冲器
IC1a ,
1 4
L
F347
驱动
湿敏电阻 ,再接至对数放大器 IC1c [6] 的反相输入端 A 。A
点的电位可视为 0 V 。设湿敏电阻 R 上的电流为 I RH , 很
容易求出
1. 4 信号源 精密对称方波发生器由运放 IC1a
1 4
L
F347
、三端可
IRH
0 引 言
湿敏陶瓷存在的主要问题是低湿度下的高电阻 (接近 绝缘) 、响应滞后和电阻 - 湿度非线性 ,目前国内外解决该 问题的主要方法是碱金属离子改性和探索新的湿敏陶瓷 复合材料 。氧化钛基湿敏陶瓷具有很好的应用前景 ,利用 稀土掺杂的方法改善氧化钛基湿敏陶瓷及其传感器的灵 敏度 、可靠性和使用寿命[1] 。选择高离子场强度的稀土离 子作为添加剂 ,利用溶胶 - 凝胶法制备纳米晶厚膜及薄膜 材料及湿敏传感装置 ,通过控制稀土种类和添加量以及控 制烧结工艺 ,获得高性能的湿敏陶瓷及其传感器 。但其线 性度差 ,必须采取补偿措施 。下面介绍利用湿敏电阻及相 应的外围电路设计而成的相对湿度测量仪 。测量相对湿 度的范围是 40 %R H～98 %R H ,测量准确度为 ±2 %R H , 分辨力可达 0. 01 %R H 。由于全部选择通用元器件 ,因此 成本低廉 ,易于推广应用 。
91. 0
- 2. 6
发挥了 C8051F020 单片机强大的控制能力和计算机的数 据处理能力 ,通过感湿元件实现了对湿度的测量 ,并进行 存储和分析 。系统在温室环境测量的实际应用中收到了 满意的效果 。
图 4 主程序流程图
2. 2 中断处理子程序 “2 s 到”的条件分支即是采用 T0 溢出中断处理程序 。
参考文献
[ 1 ] 应皆荣 ,姜长印 ,万春荣 ,等. Ti02 基陶瓷湿敏元件的 研究和发展[J ] . 功能材料 ,2000 ,31 (6) :5652568.
[ 2 ] 沙占友 ,薛树琦 ,庞志峰 ,等. 中外集成传感器实用手 册[ M ] . 北京 :电子工业出版社 ,2005 :27229.
传感器及非电量检测技术
电 子 测 量 技 术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T TEC HNOL O GY
第 32 卷 第 6 期 2009 年 6 月
相对湿度测量仪设计
崔国利 刘 罡
(内蒙古工业大学 呼和浩特 010051)
摘 要 : 介绍一种基于 C8051 F020 单片机及与稀土参杂氧化钛基感湿元件的相对湿度测量仪设计 。详细论述了系统 的硬件组成 、各功能部分的电路设计和系统的软件设计 。给出了电路原理图 、单片机的程序设计流程 。该仪表具有准 确度高 、读数值不受温度影响 、成本低廉 、易于推广等显著优点 。 关键词 : C8051 F020 ;感湿元件 ;湿度测量仪 中图分类号 : TB943 文献标识码 : B
调电流源 IC2 (L M334) [5] 和二极管桥路 ( V D1 ～ V D4 ) 组 成 。利用二极管桥路和电阻 R2 、R3 构成的正反馈电路使 IC1a 产生振荡 。该方波发生器具有对称输出 、限流和稳幅 的特性 。R1 为设定电阻 ,取 R1 = 15 Ω 时可将 L M334 的输 出电流限定在 5 mA 左右 。利用二极管桥路的正 、反向钳 位作用 ,能把输出方波电压 UO1 的幅度限制在 ±8 V 。随着 振荡电容 C1 不断地进行充 、放电 ,在 UO1 端便形成了以零 伏为对称轴的方波信号 ,振荡频率约为 100 Hz , R2 、R3 组 成分压器 ,用于设定 IC1 的阈值电压 ,进而控制 IC1a 的翻转 状态 。利用了 L M334 的正温度系数 ( + 0. 33 %R H/ ℃) 去 补偿湿敏电阻的负温度系数 ( - 0. 36 % R H/ ℃) ,从而使总 的温度系数降低了一个数量级 ,降至 - 0. 03 %R H/ ℃这就 为实现高准确度的湿度测量创造了有利条件 。对称方波
崔国利 ,男 ,1980 年 10 月出生 ,内蒙古工业大学硕士 研究生 ,主要研究方向为仪器与测试技术 。
= U O1 R
1. 5 显示及按键 4 位 L ED 数码管用来显示湿度的实测值 、报警值 、设
定值及标志位 。采用 2 片 74 HC573 ,直接驱动 L ED 动态 显示 。其中 ,74 HC573 的引脚 D0～D7 为并行输入端 ; 引 脚 Q0 ～Q7 为 8 位并行输出端 ; 当 DUL A 为高电平是输入 信号与输出信号相同 ;当 DUL A 为低电平对输出端数据锁 存 。由为选线来控制那一个数码管亮 。由于选用锁存器 就不需要选用限流电阻 。4 个独立式按键分别接至单片机 的 P5. 0 ,P5. 1 ,P5. 2 及 P5. 3 引脚 ,分别起到湿度值的上 、 下限值 (40～98 %R H 全范围内) 设定 、闪烁位加 1 与移位 、 正常运行与复位等功能 。L CD 显示电路实现人机对话的 功能 。RS232 接口电路与 PC 的串行口联接 , 实现通信 功能 。
[ 7 ] 丁彦闯. 带语音功能的温湿度测量仪设计 [J ] . 电子 测量技术 ,2008 ,3 (3) :1152117.
[ 8 ] 林敏. 低成本湿度测量仪 [J ] . 自动化仪表 ,2002 ,11 (11) :30232.
作者简介
4 结 论
该仪表经过调试及校准后 ,即可测量相对湿度 。充分
C8051 F[3] 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 ( SOC) ,具有与 8051 兼容的高速 CIP251 内核 ,与 MCS251 指令集完全兼容 ,片内集成了数据采集和控制系统中常用 的模拟 、数字外设及其他功能部件 ;内置 FL AS H 程序存储 器 、内部 RAM ,大部分器件内部还有位于外部数据存储器 空间的 RAM ,即 XRAM 。C8051 F 单片机具有片内调试电
崔国利 等 :相对湿度测量仪设计
第6期
路 ,通过 4 脚的 J TA G(或者 2 脚 C2) 接口可以进行非侵入 式 、全速的在系统调试[4] 。 1. 3 感湿元件
感湿元件为实验中烧结温度在 500 ℃下制备的氧化钛 湿敏元件 ,如图 2 所示 。由实验数据知道 ,它只能用来测 试中 、高湿度的环境变化 。因为元件相对湿度低于 40 % 时 ,阻抗几乎不随湿度变化 ;在相对湿度为 40 %～98 %的 范围内 ,阻抗随湿度的增加而减小 ,变化范围从 109 到 105 变化了 4 个数量级 ,具有较高感湿性能 ;其电阻值 ( R) 与相 对湿度 ( R H) 的响应曲线近似为指数曲线 ,如图 3 所示 ,因 此 ,构成相对湿度测量仪时必须进行线性化 ,才能获得线 性输出电压 , 在送至单片机进行数据处理显示出相对湿 度值 。
[ 4 ] 潘琢金 ,施国君. C805l FXXX 高速 SOC 单片机原理 及应用[ M ] . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2002.
[ 5 ] Nation P/ NL M334232Terrninal Adjustable Curreet So urce[ Z] .
[ 6 ] 李清泉 ,黄昌宁. 集成运算放大器原理与应用 [ M ] . 北 京 :科学出版社 ,1982.
3 测试系统湿度源的测试
湿度源的精确度测试 : 在环境温度不变 (环境温度稳 定在 25 ±0. 5 ℃范围) 的情况下 ,用本仪器对湿度源进行 测试 ,对湿度源达到湿度平衡时所生产的湿度值精确度进 行测试 。经过多次实验在达到湿度平衡时所生产的湿度 值的精确度在 2 %～3 % ,并且在中湿附近精确度约 2 % ,低 湿和高湿点精确度约 2 %～3 %。测试结果 (环境温度稳定 在 25 ±0. 5 ℃) 见表 1 。
1 湿度测量仪的系统组成及硬件设计
1. 1 系统甚本构成 本系统以一片 C8051F020 单片机为核心 ,同时在串口
通信中作为下位机 。上位机采用 PC ,整个系统的结构图 如图 1 所示 。
·148 ·
图 1 测量系统结构图
采用对称方波信号来驱动湿敏电阻 ,选用有稳幅作用 的精密对称方波发生器作为信号源 ,其输出信号中不包含 直流分量[2] 。输出信号通过信号调理产生一个代表相对湿 度的直流输出电压 ,湿度值送入进行线单片机中 ,经过数 据处理后 ,进行实时显示 。 1. 2 C8051F020 单片机
它的主要任务是 :累计时间 ,每当 t = 2 s 时 ,建立 SL 时间 标志位 。这里 ,选择定时器 T0 工作在方式 2 即自动重装方 式 ,定时器初值 H T0 = 6 ;晶振选 12 M Hz ,每 0. 25 ms 溢出 中断一次 ,在内存中开辟 2 个字节用于累计中断次数 ,每 中断 8000 次所用时间为 2 s 。T1 作为计数器工作于方式 1 , 每到 2 s 把记录的脉冲数存入内存缓冲区 ,以便标度变换 后 ,进行湿度值显示 。