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第 25 卷 第 6 期 2006 年 6 月國 外 電 子 測 量 技 術 Fo reign Elect ro nic Measurement TechnologyVol. 25 , No . 6 J un. , 2006研究與設計高精度多功能溫濕度氧濃度測量儀黃 耀 蔣亞東 謝光忠(電子科技大學光電信息學院電子薄膜與集成器件重點實驗室 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用芯片為后續電路 ,配以自行開發軟件的智能化溫濕度 、氧濃度測量儀 。該產 品性能穩定 、功耗低氧氣濃度檢測儀,價格低廉 ,具有精確數字顯示溫度 、濕度 、氧氣濃度等功能 。 關鍵詞 : 溫度傳感器 濕度傳感器 氧氣傳感器 專用芯片 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 言對周圍空氣的溫度 、濕度和環境空氣污染的監 測與控制對提高生活質量及加強工業處理都是一個 緊迫的任務 。

當今系統越來越集成化 ,因此 ,人們對 用于檢測溫度 、濕度等多參數的多功能 、小尺寸的傳 感器的需求大大增強[122] 。用于室內環境控制的組 合傳感器正引起人們的極大興趣 。這種傳感器不僅 能檢測溫度 、濕度 、氧氣的濃度 ,甚至以后還能檢測 氣流和輻射 ,從而為建立更舒適的室內生活環境 、提 高生活質量提供了監控保障 。現在 ,用于監測溫度 、 濕度和各種氣體的傳感器及傳感器系統已經達到一 個很高的技術水平[3 ] 。 多功能溫濕度表是集溫度測量顯示 、濕度測量 顯示及氧濃度測量顯示于一體的集成化測量儀表 。它可廣泛應用于實驗室 、生產車間 、倉庫 、圖書館 、辦 公室和家庭等需要了解及控制溫度 、濕度 、氧濃度的 場所和部門 。1 系統組成及工作過程系統由下位機 、外接傳感器和接口組成 ,系統框 圖如圖 1 所示 ,虛線以內是下位機 , S1～ S3 分別代 表溫度 、濕度和氧氣傳感器 。傳感器輸出的信號經 跟隨器和多路開關 、AD 轉換后 ,由單片機進行數據 采集 ,獲取微環境中的溫濕度 、氧濃度值 ,并顯示和 存儲結果 。存儲器中的結果數據可通過通訊電路和 接口程序傳輸至 PC 機 ,建立數據庫并生成最終測 量結果報表 。

由于該多功能傳感器的智能化程度要求很高 , 因此需要把整個外圍電路設計得較為簡單 ,而以編作者簡介 :黃 耀 (1981 - ) ,男 ,電子科技大學光電信息學院碩士 ,主要從事傳感器處理電路研究 。24國 外 電 子 測 量 技 術制軟件程序為主 ,以專用小型 CPU 微處理器為核 心 ,配合液晶顯示 、電源等外圍電路 ,來實現對溫濕 度 、氧濃度的測量 ,這樣就保證了該儀表具有較高的 可靠性 ,并使產品適合于大批量生產工藝的要求 。第 25 卷圖 2 溫度傳感器配送電路圖 1 系統框圖2 傳感器對環境溫濕度和氧濃度進行精密測試乙醇報警器,所用傳感器應具有以下特點 :(1) 幾何尺寸小 ; (2) 自身發熱量對監測對象溫度的影響小 ; (3) 能滿足信號的長距離傳輸 。減小傳感器幾何尺寸的方法 ,是在滿足傳感器性能指標的情況下精簡電路設計和優化電路板設計 ,精選電路元器件 。為了減小傳感器發熱對監測對象溫度的影響 ,應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刻關閉等方法 。2. 1 傳感器的結構傳感器由一個溫度傳感頭 、一個濕度傳感頭 、一個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 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 U1 放大作為基準 電壓 。當有電流流過鉑電阻 P T 時 ,環境溫度在其上感應出的電壓輸出至 U2 ,與 U1 的輸出作差動放 大 ,經后級驅動放大后 ,傳送到下位機進行 AD 轉換 。其輸出電壓計算式為 :V out=Pt ×A ×11 Pt + 10-P1 ×A ×11 P1 + 10其中 : Pt 為鉑電阻的阻值 ( kΩ) ,A 為后級放大器的放大倍數 。濕度和氧氣傳感頭選用集成產品 ,其反應時間快 ,能直接輸出直流電壓信號 ,其測量精度可達 2 %。2. 2 傳感器的非線性校正采用查表法來對溫度濕度以及氧濃度定標 ,同時進行非線性校正 。通過實驗 ,測得 - 30 ℃～70 ℃時溫度的 AD 輸出脈沖數 ,用軟件擬合出溫度～輸出脈沖數的曲線 。如果想進一步提高精度 ,可進行二次及以上的曲線擬合 。將 AD 輸出的脈沖數作為 偏移量 ,輸出脈沖數與標準脈沖數的差值作為修正 值 ,制作成修正表放在下位機的 ROM 中 ,軟件在查 表時以修正值加上當前時刻的 AD 輸出作為偏移 量 , 實際測試曲線采用最小二乘法擬合對直線擬 合 ,設實際定標測試點有 n 個數據 xi , i = 1 ,2 …,n , 擬合直線方程為 y1 = cx + d 。

式中的系數 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代入標準直線 :y2=ax+b=a( yi 2d)+by1 - y2 即是實測直線與標準直線在不同溫度下差值 。對直線擬合 ,修正值的計算公式是 :Δ= N -b-a( y1 cd)其中 :N 為 AD 轉換后輸出的脈沖數 ,a 為標準曲線的一次系數 ,b 為標準曲線的常數 ,c 為實測曲線的一次系數 ,d 為實測曲線的常數 。實際測試點并不是全部落在擬合直線上是影響系統精度的主要因素 。溫度傳感器擬合直線如圖 3 所示 。濕度傳感器 以及氧氣傳感器的定標和非線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量儀25感器相同 。圖 3 溫度傳感器擬合直線圖3 下位機電路設計 、測量軟件設計3. 1 下位機電路設計 下位機的電路主要由傳感器啟閉電路 、AD 轉 換 、顯示和鍵盤 、通訊等電路和數據存儲器 X5045 、 單片機 A T89S52 組成 。

因傳感器與下位機有較長 的距離 ,在二者之間加入了一級跟隨器 。根據測量 精度要求和儀器性價比的考慮 ,選用 TL C2543 作為 AD 轉換器 ,并通過串口完成與單片機的數據交換 。 3. 2 下位機軟件設計 下位機軟件流程圖如圖 4 所示 。測量軟件采用 模塊化設計 ,每個模塊的出入口在單片機中都分配 有專門的片內存儲器氧氣濃度檢測儀,方便了程序的維護和擴展 。 軟件中共計有延時 、刷新數據 、顯示 、AD 轉換 、發送 數據 、讀寫時鐘等子程序 。為了實現數據掉電保護 功能 ,下位機軟件必須能區分出是掉電后開機還是 正常開機 。為此 ,從 SRAM 指定地址單元中讀出掉 電保護識別碼 ,與掉電保護模式數據比較 。若它們 完全匹配 ,說明是掉電后開機 ,則從 SRAM 取出掉 電前的地址指針賦給 D P TR ;否則向 SRAM 寫入掉 電保護識別碼 ,并賦 SRAM 首地址給 DP TR 。僅當 數據轉移至 PC 機后 ,程序才主動將存放識別碼的 地址單元清零 。對每一通道每次采樣 10 次 ,丟棄兩 頭的 2 個值 ,求其平均 ,作為該次采樣的最終結果 。 以減小系統隨機誤差 。這樣就將可能出現的高低干 擾信號有效的濾除 ,實現中位濾波算法 。

4 結 論多功能溫濕度 、氧濃度表具有測溫 、測濕 、測濃圖 4 下位機軟件流程圖度時間顯示等功能 ,其使用靈活方便 ,產品性能穩定 可靠 ,且價格低廉 。該產品在研制開發過程中 ,解決 了功耗低 、成本低 、體積緊湊 、結構簡單 、準確度高 、 標定與測量簡單等技術問題 ,從而大大提高了生產 效率 ,為產品的穩定性 、適用性 、可推廣性起了決定 性的作用 。參考文獻[ 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 [ M ] . 南京 : 東南大學出版 社 ,2000.[ 5 ] 數學手冊[ 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用 [ M ]. 北京 :機械工業出版社 ,2002.

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