多路温湿度传感器采集及显示系统设计

多路温湿度传感器采集及显示系统设计

杨龙;刘清惓

【摘要】针对地面气象站多点观测以及气象探测飞机机载拖拽式测量场合,提出一种基于铂电阻和HIH-5031的温、湿度采集电路,通过FPGA实现多路数据汇总至

嵌入式显示终端,终端拥有基于Qt/E的实时波形显示软件,并使用SQLite3数据库

存储温、湿度数据。经过与光学冷镜式露点传感器的对比测试,验证了其湿度误差

小于1%,温度误差远小于0.2℃,且传感器电路响应速度快,实时波形显示界面准确、稳定,可用于地面气象站多点观测和机载拖拽式的测量场合。%According to the measurement ocassion of Ground Stations multi-point observations and meteorological observation aircraft airborne towed,a temperature and humidity acquisition circuit based on platinum resistance and HIH-5030 is proposed. In this system,Embedded software which has real-time waveform display software based on Qt/E can firstly be taken to collect multiple data by FPGA, and then, SQLite3 datebase is used to storage temperature and humidity data. Humidity error of this new system is less than 1% and temperature error is less than 0. 2 ℃ compared with optical chilled mirror dew point sensor. Moreover,this sensor circuit can get fast response speed,as well as accurate and stable real-time waveform interface, so that it can be used in the measurement ocassion of Ground Stations multi-point observations and airborne towed.

【期刊名称】《电子器件》

【年(卷),期】2014(000)002

【总页数】5页(P297-301)

【关键词】湿度传感器;温度传感器;FPGA;ARM-LINUX;Qt/Embedded

【作者】杨龙;刘清惓

【作者单位】南京信息工程大学电子与信息工程学院，信号与信息处理系，南京210044;南京信息工程大学电子与信息工程学院，信号与信息处理系，南京210044

【正文语种】中文

【中图分类】TP212.9

在气象探测领域，获取温度和湿度数据对于气象灾害预警、精确数值预报、人工影响天气和气候变化监测都是极其重要的。在某些应用场合，测量现场需要查看温、湿度数据走势并存储下来，这些场合需要使用便携式的显示终端。在地面气象站的多点观测，以及在气象探测飞机机载拖拽式测量中，使用PC观测和存储实时数据，仪器体积、重量和功耗都难以满足不断提高的需求。本文提出了一种基于HIH-5031湿度传感器和铂电阻温度传感器的前端采集方案，通过FPGA汇总多路前端传来的温度和湿度数据，经FPGA处理后发送至基于ARM11处理器的显示终端，ARM11处理器终端运行嵌入式Linux系统，通过运行Qt/E程序来实现实时数据

波形的显示，便于及时观测温、湿度的变化趋势，该系统中安装有SQLite3数据库，用于存储接收到的传感器数据。

整个系统主要由3部分组成:多路温湿度采集前端、多路传输汇总电路和便携式显

示终端。温湿度采集前端基于STM32微处理器，采用模数转换器采集HIH-5031湿度传感器和铂电阻温度传感器的电压值，转换成对应温度和湿度，通过RS232

协议将数据发送至FPGA;FPGA实现对多路数据的收集并处理，将处理后的数据以

RS232协议发送至便携式显示终端;显示终端采用的是ARM11处理器，搭载嵌入式Linux操作系统，运行Qt/E应用程序，实现温度和湿度数据的实时波形显示，并将原始数据存储成数据库文件，软件支持将数据库文件导出成文本文件。所有文件均存储在存储卡上，以便在PC等终端上查看。系统总体框图如图1所示。

温湿度采集前端采用了32位基于ARM Cortex -M3内核的STM32f103微处理器，多路传输汇总电路中使用的FPGA芯片是Altera公司的Cyclone II芯片，便携式显示终端使用了三星公司的ARM11架构的S3C6410处理器芯片。

2.1 温湿度采集电路设计

户外气象站和高空气象探测需要传感器长期稳定且在-50℃到+50℃环境下拥有良好性能。HIH-5031是带外壳、防冷凝的集成电路湿度传感器，对灰尘、污物、油类和一般的化学环境拥有出色的抵抗性能。相较于热敏电阻、热电偶和集成温度传感器，选用稳定性较好的铂(Pt100)电阻作为感温元件。

为获取高精度的温湿度数据，本系统采用高分辨率、高采样速率、低噪声的24位模数转换芯片AD7193进行数据采集。AD7193内部的Σ-Δ调制器以高速的采样频率对输入模拟信号进行采样。AD7193拥有4个独立通道，满足本设计对通道数、速度、精度的需求。温湿度采集前端电路原理框图如图2所示。

采用AD7193的通道1测量ADR443的输出电压值，通道2测量HIH-5031的输出电压值Vout。在25℃环境下，HIH-5031的输出电压为式(1)，其中Vin的电压值来自于ADR443基准电压源芯片，RHraw为相对湿度值。

式(1)是环境温度在25℃时使用的，实际应用中应考虑温度的变化，对环境温度补偿后的实际湿度为式(2)

式中:T为温度值(℃)，RHcompensated为真实湿度值［1］。

温度测量采用铂电阻(Pt100)温度传感器，利用AD7193的高精度特性，通道三测量铂电阻的电压值，通道四测量100 Ω精密电阻的电压值，STM32处理器依据上