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第 25 卷 第 6 期 2006 年 6 月國(guó) 外 電 子 測(cè) 量 技 術(shù) Fo reign Elect ro nic Measurement TechnologyVol. 25 , No . 6 J un. , 2006研究與設(shè)計(jì)高精度多功能溫濕度氧濃度測(cè)量?jī)x黃 耀 蔣亞?wèn)| 謝光忠(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院電子薄膜與集成器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 610054)摘 要 : 文中介紹集熱敏電阻型溫度傳感器 ,高分子薄膜電容式濕度傳感器 ,原電池型氧氣傳感器 , 以及高度集成化的專(zhuān)用芯片為后續(xù)電路 ,配以自行開(kāi)發(fā)軟件的智能化溫濕度 、氧濃度測(cè)量?jī)x 。該產(chǎn) 品性能穩(wěn)定 、功耗低氧氣濃度檢測(cè)儀,價(jià)格低廉 ,具有精確數(shù)字顯示溫度 、濕度 、氧氣濃度等功能 。 關(guān)鍵詞 : 溫度傳感器 濕度傳感器 氧氣傳感器 專(zhuān)用芯片 低功耗Development of high precision multif unction apparatus f or measuring temperature , humidity and oxygen concentrationHuang Yao J iang Yado ng Xie Guangzho ng( Key L aboratory of Elect rical Fil m an d I nte g rated Devices , Uni versit y of Elect ronic S cience & Technolog y of China , Cheng du , China , 610054)Abstract : In t his paper , a multif unctio n co mbined sensor for ho me applicatio n is int roduced. It co n2 sist s of a humidit y t ransducer based o n a capacitive humidit y sensor , a temperat ure t ransducer based o n a t hermistor sensor ,a f uel2cell o xygen sensor and a special high densit y integrated chip as t he follow2up circuit matched wit h special sof t ware. This p roduct enjoys t he characteristics of low pow2 er dissipatio n氧氣濃度檢測(cè)儀, low co st . Meanwhile , it has t he f unctio n of digital display of temperat ure , humidit y and o xygen co ncent ratio n. Keywords : temperature sensor , humidity sensor , oxygen sensor , special chip , low power dissipation.0 引 言對(duì)周?chē)諝獾臏囟?、濕度和環(huán)境空氣污染的監(jiān) 測(cè)與控制對(duì)提高生活質(zhì)量及加強(qiáng)工業(yè)處理都是一個(gè) 緊迫的任務(wù) 。

當(dāng)今系統(tǒng)越來(lái)越集成化 ,因此 ,人們對(duì) 用于檢測(cè)溫度 、濕度等多參數(shù)的多功能 、小尺寸的傳 感器的需求大大增強(qiáng)[122] 。用于室內(nèi)環(huán)境控制的組 合傳感器正引起人們的極大興趣 。這種傳感器不僅 能檢測(cè)溫度 、濕度 、氧氣的濃度 ,甚至以后還能檢測(cè) 氣流和輻射 ,從而為建立更舒適的室內(nèi)生活環(huán)境 、提 高生活質(zhì)量提供了監(jiān)控保障 ?，F(xiàn)在 ,用于監(jiān)測(cè)溫度 、 濕度和各種氣體的傳感器及傳感器系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到一 個(gè)很高的技術(shù)水平[3 ] 。 多功能溫濕度表是集溫度測(cè)量顯示 、濕度測(cè)量 顯示及氧濃度測(cè)量顯示于一體的集成化測(cè)量?jī)x表 。它可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室 、生產(chǎn)車(chē)間 、倉(cāng)庫(kù) 、圖書(shū)館 、辦 公室和家庭等需要了解及控制溫度 、濕度 、氧濃度的 場(chǎng)所和部門(mén) 。1 系統(tǒng)組成及工作過(guò)程系統(tǒng)由下位機(jī) 、外接傳感器和接口組成 ,系統(tǒng)框 圖如圖 1 所示 ,虛線(xiàn)以?xún)?nèi)是下位機(jī) , S1～ S3 分別代 表溫度 、濕度和氧氣傳感器 。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng) 跟隨器和多路開(kāi)關(guān) 、AD 轉(zhuǎn)換后 ,由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) 采集 ,獲取微環(huán)境中的溫濕度 、氧濃度值 ,并顯示和 存儲(chǔ)結(jié)果 。存儲(chǔ)器中的結(jié)果數(shù)據(jù)可通過(guò)通訊電路和 接口程序傳輸至 PC 機(jī) ,建立數(shù)據(jù)庫(kù)并生成最終測(cè) 量結(jié)果報(bào)表 。

由于該多功能傳感器的智能化程度要求很高 , 因此需要把整個(gè)外圍電路設(shè)計(jì)得較為簡(jiǎn)單 ,而以編作者簡(jiǎn)介 :黃 耀 (1981 - ) ,男 ,電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院碩士 ,主要從事傳感器處理電路研究 。24國(guó) 外 電 子 測(cè) 量 技 術(shù)制軟件程序?yàn)橹?,以專(zhuān)用小型 CPU 微處理器為核 心 ,配合液晶顯示 、電源等外圍電路 ,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕 度 、氧濃度的測(cè)量 ,這樣就保證了該儀表具有較高的 可靠性 ,并使產(chǎn)品適合于大批量生產(chǎn)工藝的要求 。第 25 卷圖 2 溫度傳感器配送電路圖 1 系統(tǒng)框圖2 傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度和氧濃度進(jìn)行精密測(cè)試乙醇報(bào)警器,所用傳感器應(yīng)具有以下特點(diǎn) :(1) 幾何尺寸小 ; (2) 自身發(fā)熱量對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象溫度的影響小 ; (3) 能滿(mǎn)足信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸 。減小傳感器幾何尺寸的方法 ,是在滿(mǎn)足傳感器性能指標(biāo)的情況下精簡(jiǎn)電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化電路板設(shè)計(jì) ,精選電路元器件 。為了減小傳感器發(fā)熱對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象溫度的影響 ,應(yīng)盡量選用低功耗的元器件 ,用小工作電 流 和 小 電 阻 的 傳 感 頭 , 一 般 工 作 電 流 是1mA ,還可采用傳感器在非采樣時(shí)刻關(guān)閉等方法 。2. 1 傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由一個(gè)溫度傳感頭 、一個(gè)濕度傳感頭 、一個(gè)氧氣傳感頭及其配送電路組成 。

在低溫段 ,鉑金熱電阻 精 度 高 , 性 能 穩(wěn) 定 , 可 選 用 薄 膜 式 鉑 電 阻Pt1000 作為溫度傳感頭 ,其配送電路如圖 2 所示 。橋式電路右下臂 R1 的電壓輸出經(jīng) U1 放大作為基準(zhǔn) 電壓 。當(dāng)有電流流過(guò)鉑電阻 P T 時(shí) ,環(huán)境溫度在其上感應(yīng)出的電壓輸出至 U2 ,與 U1 的輸出作差動(dòng)放 大 ,經(jīng)后級(jí)驅(qū)動(dòng)放大后 ,傳送到下位機(jī)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換 。其輸出電壓計(jì)算式為 :V out=Pt ×A ×11 Pt + 10-P1 ×A ×11 P1 + 10其中 : Pt 為鉑電阻的阻值 ( kΩ) ,A 為后級(jí)放大器的放大倍數(shù) 。濕度和氧氣傳感頭選用集成產(chǎn)品 ,其反應(yīng)時(shí)間快 ,能直接輸出直流電壓信號(hào) ,其測(cè)量精度可達(dá) 2 %。2. 2 傳感器的非線(xiàn)性校正采用查表法來(lái)對(duì)溫度濕度以及氧濃度定標(biāo) ,同時(shí)進(jìn)行非線(xiàn)性校正 。通過(guò)實(shí)驗(yàn) ,測(cè)得 - 30 ℃～70 ℃時(shí)溫度的 AD 輸出脈沖數(shù) ,用軟件擬合出溫度～輸出脈沖數(shù)的曲線(xiàn) 。如果想進(jìn)一步提高精度 ,可進(jìn)行二次及以上的曲線(xiàn)擬合 。將 AD 輸出的脈沖數(shù)作為 偏移量 ,輸出脈沖數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)的差值作為修正 值 ,制作成修正表放在下位機(jī)的 ROM 中 ,軟件在查 表時(shí)以修正值加上當(dāng)前時(shí)刻的 AD 輸出作為偏移 量 , 實(shí)際測(cè)試曲線(xiàn)采用最小二乘法擬合對(duì)直線(xiàn)擬 合 ,設(shè)實(shí)際定標(biāo)測(cè)試點(diǎn)有 n 個(gè)數(shù)據(jù) xi , i = 1 ,2 …,n , 擬合直線(xiàn)方程為 y1 = cx + d 。

式中的系數(shù) c , d 可由 下式求得 :其中 ,n∑( xi - x) ( yi - y)c= i=1 nd = y - cx∑( xi - x) 2i=1x = yi cd x =1 nin∑x=0iy=1 nin∑y=0i代入標(biāo)準(zhǔn)直線(xiàn) :y2=ax+b=a( yi 2d)+by1 - y2 即是實(shí)測(cè)直線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)直線(xiàn)在不同溫度下差值 。對(duì)直線(xiàn)擬合 ,修正值的計(jì)算公式是 :Δ= N -b-a( y1 cd)其中 :N 為 AD 轉(zhuǎn)換后輸出的脈沖數(shù) ,a 為標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的一次系數(shù) ,b 為標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的常數(shù) ,c 為實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的一次系數(shù) ,d 為實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的常數(shù) 。實(shí)際測(cè)試點(diǎn)并不是全部落在擬合直線(xiàn)上是影響系統(tǒng)精度的主要因素 。溫度傳感器擬合直線(xiàn)如圖 3 所示 。濕度傳感器 以及氧氣傳感器的定標(biāo)和非線(xiàn)性校正方法與溫度傳2006 年第 6 期黃 耀 等 :高精度多功能溫濕度氧濃度測(cè)量?jī)x25感器相同 。圖 3 溫度傳感器擬合直線(xiàn)圖3 下位機(jī)電路設(shè)計(jì) 、測(cè)量軟件設(shè)計(jì)3. 1 下位機(jī)電路設(shè)計(jì) 下位機(jī)的電路主要由傳感器啟閉電路 、AD 轉(zhuǎn) 換 、顯示和鍵盤(pán) 、通訊等電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 X5045 、 單片機(jī) A T89S52 組成 。

因傳感器與下位機(jī)有較長(zhǎng) 的距離 ,在二者之間加入了一級(jí)跟隨器 。根據(jù)測(cè)量 精度要求和儀器性?xún)r(jià)比的考慮 ,選用 TL C2543 作為 AD 轉(zhuǎn)換器 ,并通過(guò)串口完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換 。 3. 2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)軟件流程圖如圖 4 所示 。測(cè)量軟件采用 模塊化設(shè)計(jì) ,每個(gè)模塊的出入口在單片機(jī)中都分配 有專(zhuān)門(mén)的片內(nèi)存儲(chǔ)器氧氣濃度檢測(cè)儀,方便了程序的維護(hù)和擴(kuò)展 。 軟件中共計(jì)有延時(shí) 、刷新數(shù)據(jù) 、顯示 、AD 轉(zhuǎn)換 、發(fā)送 數(shù)據(jù) 、讀寫(xiě)時(shí)鐘等子程序 。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護(hù) 功能 ,下位機(jī)軟件必須能區(qū)分出是掉電后開(kāi)機(jī)還是 正常開(kāi)機(jī) 。為此 ,從 SRAM 指定地址單元中讀出掉 電保護(hù)識(shí)別碼 ,與掉電保護(hù)模式數(shù)據(jù)比較 。若它們 完全匹配 ,說(shuō)明是掉電后開(kāi)機(jī) ,則從 SRAM 取出掉 電前的地址指針賦給 D P TR ;否則向 SRAM 寫(xiě)入掉 電保護(hù)識(shí)別碼 ,并賦 SRAM 首地址給 DP TR 。僅當(dāng) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至 PC 機(jī)后 ,程序才主動(dòng)將存放識(shí)別碼的 地址單元清零 。對(duì)每一通道每次采樣 10 次 ,丟棄兩 頭的 2 個(gè)值 ,求其平均 ,作為該次采樣的最終結(jié)果 。 以減小系統(tǒng)隨機(jī)誤差 。這樣就將可能出現(xiàn)的高低干 擾信號(hào)有效的濾除 ,實(shí)現(xiàn)中位濾波算法 。

4 結(jié) 論多功能溫濕度 、氧濃度表具有測(cè)溫 、測(cè)濕 、測(cè)濃圖 4 下位機(jī)軟件流程圖度時(shí)間顯示等功能 ,其使用靈活方便 ,產(chǎn)品性能穩(wěn)定 可靠 ,且價(jià)格低廉 。該產(chǎn)品在研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中 ,解決 了功耗低 、成本低 、體積緊湊 、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、準(zhǔn)確度高 、 標(biāo)定與測(cè)量簡(jiǎn)單等技術(shù)問(wèn)題 ,從而大大提高了生產(chǎn) 效率 ,為產(chǎn)品的穩(wěn)定性 、適用性 、可推廣性起了決定 性的作用 。參考文獻(xiàn)[ 1 ] Malcovati , P. , et al. Combined air humidity and flow CMOS ETro sensor wit h o n2chip 15 bit sigma2delta A/ D interface [ C ] . in VL SI Circuit s , 1995. Digest of Technical Papers , 1995 Sympo sium o n. 1995.[ 2 ] Fujita ,H. Environmental senso r [ R ] . in Inst rumenta2 tio n and Measurement Technology Conference有毒氣體報(bào)警器, 1994. IM TC/ 94. Conference Proceedings. 10t h Anniversary. Advanced Technologies in I & M. , 1994 IEEE. 1994.[ 3 ] Kang , J . , J . Park , and S. Mun. One2bodied humidity and temperat ure sensor having advanced linearity at low and high relative humidity range [J ] . Senso rs and Act uators B : CheETal , 2001 ,76 (123) :3222326.[ 4 ] 賈伯年 ,俞樸. 傳感器技術(shù) [ M ] . 南京 : 東南大學(xué)出版 社 ,2000.[ 5 ] 數(shù)學(xué)手冊(cè)[ Z] . 北京 :高等教育出版社 ,1979. [ 6 ] 沙占友. 智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用 [ M ]. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,2002.

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