传感器应用实例：湿度检测仪的设计
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电子式湿度传感器新兴起来的技术，准确度可以达到2％3％RH。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ห้องสมุดไป่ตู้老化，精度下降，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。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。
5.2.5 湿度传感器测量电路 电阻式湿度传感器其测量电路主要有两种形式，电桥电路 和欧姆定律电路。 1．电桥电路 电桥法适合于氯化锂湿度传感器。振荡器对电路提供交流 电源。电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传 感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出， 放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成 直流信号.
2.欧姆定律电路
欧姆定律电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。 由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器， 可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。
3.带温度补偿的湿度测量电路
在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处 理和温度补偿，常采用运算放大器构成湿度测量电路。
任务5.2 湿度检测仪的设计
5.2.1湿度及其表示方法 大气湿度有三种常用的表示方法，即绝对湿度、相对湿度和
露点。
3.露点
在一定温度下，气体所容纳的水蒸气含量超过某限量时， 多余的水从气态变为液态的现象称为结露。把在水气冷却 过程中最初发生结露时的温度称为露点，其单位采用温度 单位℃。露点可用来表示不饱和气体的含水量，因此也是 在测量气体湿度时常用的一个名词。
4、通讯复位时序
如果与SHT11 通讯中断，可通过下列信号时序复位：当DATA 保 持高电平时，触发SCK 时钟9次或更多。接着发送一个“传输启动” 时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。
5、 CRC-8校验计算
数据传输的可靠性由CRC-8的校验来保证. 它确保可以检测并去除所 有错误数据。 用户可选择是否使用CRC功能。
5.2.6 湿度检测仪电路设计 1.HS1101简介
2.工作原理
5.2.7湿度检测报警电路
5.2.8温湿度传感器SHT11
1.SHT1x简介
SHT1x (包括 SHT10, SHT11 和 SHT15) 是Sensirion公司 生产的贴片封装系列的，具有总线接口的单片全校准数字 式相对湿度和温度传感器。将传感元件和信号处理电路集 成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，具有 免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。因此，该 产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高 等优点。
2.高分子材料湿敏元件 利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。 吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介质，可做成电 容式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电 阻变化式湿敏元件。 (1)湿敏电阻 湿敏电阻是覆盖在基片上的一层感湿材料膜，当空气中的水 蒸气吸附于感湿膜上时，将引起其电阻率和电阻值变化，利 用这一特性可以对湿度进行测量。
(3) 串行数据 (DATA)
DATA引脚为三态结构，用于读取传感器数据。
4.SHT11应用设计
3、 温湿度测量
发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表 示温度T）后，控制器要等待测量结束。SHT11 通过下拉DATA至低 电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟 前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被 存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
2.SHT11结构和工作原理
(1) 电源引脚(VDD、GND)
传感器供电电压范围为2.4-5.5V，建议电压3.3V，在 电源引脚（VDD，GND）之间须加一个100nF的电容， 用以去耦滤波。
(2) 串行时钟输入（SCK）
SCK 用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。由于 接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
6、状态寄存器
SHT11的某些高级功能可以通过给状态寄存器发送指令来实现，如选 择测量分辨率，电量不足提醒或启动加热功能等。在读状态寄存器或 写状态寄存器之后，8 位状态寄存器的内容将被读出或写入。
5.2.2湿度传感器的分类
湿度传感器的种类很多，如表5-5所示。据不完全统计， 湿度传感器系列、类型分为物性型、结构型和其他形式， 而物性型有分为电解质系、半导体及陶瓷系和有机高分子 聚合物系等。
5.2.3 湿敏传感器
1．陶瓷湿度传感器
利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器，具有测湿范 围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温 湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿度传感器 的工作温度可达800℃，响应时间较短，精度高，抗污染 能力强，工艺简单，成本低廉。
(2).湿敏电容
湿敏电容一般是用聚苯乙烯、聚烯亚胺、酪酸醋酸纤维等 高分子材料制成的薄膜电容。环境湿度的改变，引起高分 子材料的介电常数变化，导致湿敏电容的电容量也发生变 化，并且其电容变化量与相对湿度成正比。
5.2.4 环境湿度的检测方法
湿度测量方法最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿 度传感器测湿法。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，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。干湿球测湿方法更适合于在高温 及恶劣环境的场合使用。
5.2.5 湿度传感器测量电路 电阻式湿度传感器其测量电路主要有两种形式，电桥电路 和欧姆定律电路。 1．电桥电路 电桥法适合于氯化锂湿度传感器。振荡器对电路提供交流 电源。电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传 感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出， 放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成 直流信号.
2.欧姆定律电路
欧姆定律电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。 由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器， 可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。
3.带温度补偿的湿度测量电路
在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处 理和温度补偿，常采用运算放大器构成湿度测量电路。
任务5.2 湿度检测仪的设计
5.2.1湿度及其表示方法 大气湿度有三种常用的表示方法，即绝对湿度、相对湿度和
露点。
3.露点
在一定温度下，气体所容纳的水蒸气含量超过某限量时， 多余的水从气态变为液态的现象称为结露。把在水气冷却 过程中最初发生结露时的温度称为露点，其单位采用温度 单位℃。露点可用来表示不饱和气体的含水量，因此也是 在测量气体湿度时常用的一个名词。
4、通讯复位时序
如果与SHT11 通讯中断，可通过下列信号时序复位：当DATA 保 持高电平时，触发SCK 时钟9次或更多。接着发送一个“传输启动” 时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。
5、 CRC-8校验计算
数据传输的可靠性由CRC-8的校验来保证. 它确保可以检测并去除所 有错误数据。 用户可选择是否使用CRC功能。
5.2.6 湿度检测仪电路设计 1.HS1101简介
2.工作原理
5.2.7湿度检测报警电路
5.2.8温湿度传感器SHT11
1.SHT1x简介
SHT1x (包括 SHT10, SHT11 和 SHT15) 是Sensirion公司 生产的贴片封装系列的，具有总线接口的单片全校准数字 式相对湿度和温度传感器。将传感元件和信号处理电路集 成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，具有 免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。因此，该 产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高 等优点。
2.高分子材料湿敏元件 利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。 吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介质，可做成电 容式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电 阻变化式湿敏元件。 (1)湿敏电阻 湿敏电阻是覆盖在基片上的一层感湿材料膜，当空气中的水 蒸气吸附于感湿膜上时，将引起其电阻率和电阻值变化，利 用这一特性可以对湿度进行测量。
(3) 串行数据 (DATA)
DATA引脚为三态结构，用于读取传感器数据。
4.SHT11应用设计
3、 温湿度测量
发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表 示温度T）后，控制器要等待测量结束。SHT11 通过下拉DATA至低 电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟 前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被 存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
2.SHT11结构和工作原理
(1) 电源引脚(VDD、GND)
传感器供电电压范围为2.4-5.5V，建议电压3.3V，在 电源引脚（VDD，GND）之间须加一个100nF的电容， 用以去耦滤波。
(2) 串行时钟输入（SCK）
SCK 用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。由于 接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
6、状态寄存器
SHT11的某些高级功能可以通过给状态寄存器发送指令来实现，如选 择测量分辨率，电量不足提醒或启动加热功能等。在读状态寄存器或 写状态寄存器之后，8 位状态寄存器的内容将被读出或写入。
5.2.2湿度传感器的分类
湿度传感器的种类很多，如表5-5所示。据不完全统计， 湿度传感器系列、类型分为物性型、结构型和其他形式， 而物性型有分为电解质系、半导体及陶瓷系和有机高分子 聚合物系等。
5.2.3 湿敏传感器
1．陶瓷湿度传感器
利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器，具有测湿范 围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温 湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿度传感器 的工作温度可达800℃，响应时间较短，精度高，抗污染 能力强，工艺简单，成本低廉。
(2).湿敏电容
湿敏电容一般是用聚苯乙烯、聚烯亚胺、酪酸醋酸纤维等 高分子材料制成的薄膜电容。环境湿度的改变，引起高分 子材料的介电常数变化，导致湿敏电容的电容量也发生变 化，并且其电容变化量与相对湿度成正比。
5.2.4 环境湿度的检测方法
湿度测量方法最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿 度传感器测湿法。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，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。干湿球测湿方法更适合于在高温 及恶劣环境的场合使用。