数字温湿度计测量电路设计.docx

《数字温湿度计测量电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字温湿度计测量电路设计.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数字温湿度计测量电路设计

1绪论

1.1本课题国内外发展现状

随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，仓库的温度和湿度自动监测控制方面的研究有了明显的进展。

美国、日本的仓库监测设施近20年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，其中仓库环境调控技术均有较高水平，但其监控设备价格昂贵。

我国近年引进了多达16个国家和地区的仓库环境控制系统，对吸收国外先进经验、推动仓库温度湿度自动检测产生了积极的作用，但多因能耗过大，造价高，品种未能配套，未能达到很好的效果。

中国的仓库环境综合控制系统必须走适合中国国情的发展道路，在引进、消化、吸收国内外先进技术和科学管理的基础上，进行总结提高、集成创新、超前示范，既开发适宜我国经济发展水平，又能满足不同气候条件，接近或达到世界先进水平的智能化仓库监测系统。

在专用品种、综合配套技术、贮运营销上，应该研制具有中国知识产权的产品和技术。

随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制仓库环境。

控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。

先编制出仓库存放粮食最优环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各仓库的参数，并给终端控制系统指令。

终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现粮食仓库的环境调节。

该种系统可以达到自动控制降温、除湿、通风。

根据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节仓库温度。

1.2选题背景及意义

温度和湿度的测量和控制是许多行业的重要工作目标之一，不论是粮食仓库、中药材仓库，还是图书保存，都需要有规定的温度和湿度，然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。

随着工业的发展，需要对温湿度控制的场合越来越多。

对粮仓而言，温湿度的高低对粮食的质量影响很大，温湿度过高会使粮食变质，湿度过大会使霉菌和害虫滋生。

由于温湿度的检测控制不当，可能使我们导致无法估计的经济损失。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强粮仓内温度与湿度的监测工作，但传统的方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。

这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。

因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。

1.3本次设计的主要内容及参数要求

1.3.1基本功能

主要实现检测温度、湿度的检测，将温度湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成电信号，再运用单片机进行数据的分析和处理。

为显示和报警电路提供信号。

1.3.2主要技术参数

温度检测范围：

-30℃-+100℃

测量精度：

0.5℃

湿度检测范围：

1%-100%RH

检测精度：

1%RH

2系统方案的设计和比较

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，以单片机为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、温度检测、湿度检测、显示、系统软件等部分的设计。

图2-1系统总体框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。

信号采集由温度传感器、湿度传感器及多路开关组成；

信号分析由A/D转换器、单片机基本系统组成；

信号处理由串行口LED显示器和报警系统等组成。

2.1系统总体方案的选择

方案1：

基于MCS-51系列单片机嵌入式系统的温湿度检测控制系统

该系统由温度传感器、湿度传感器、8031嵌入式系统、加热设备、加湿设备几部分组成。

结构原理框图如图2-2所示。

通过温度传感器和湿度传感器测量温室内的温湿度经过AD转换送入8031进行处理，测量结果通过显示电路进行显示。

图2-2系统结构原理图

方案2：

基于MSP430F1232单片机的温湿度检测系统设计

本方案采用分别设计温度和湿度采样电路如图2-3所示，将集成温度传感器采集得到的电流信号和湿度传感器采集到的电压信号转换为给定范围内的电压信号。

然后由MSP430F1232单片机的AD采样端口将该电压信号读入，如果温度小于门限值或者湿度大于门限值就给出报警信号，门限值可以通过按键进行设定。

图2-3系统总体结构图

方案1MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,MCS-51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，同时具备对I/O口的访问能力。

由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给应用提供了极大的便利。

并且MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，在众多的单片机品种中，C51的环境资源是最丰富的。

作为MCS-51单片机一个型号的8031片内没有程序存储器，外部扩展一片或多片含用户程序的EPROM后，就相当于一片8751，因而使用方便灵活，加之价格低廉，目前是应用最广的机型。

方案2温湿度检测电路比较繁琐实现起来比较困难，并且MSP430F1232系列单片机成本比较高，实现比较困难。

综合比较方案1系统工作稳定，性能良好，基本符合设计要求。

2.2传感器的选择方案

2.2.1温度传感器的选择

方案1：

采用热电阻温度传感器。

热电阻传感器的电阻与温度之间具有优异的线性和稳定性。

这类传感器主要用于要求高精度、经久耐用和长斯稳定性的工业环境中。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻，铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

方案2：

采用AD590温度传感器，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。

作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力，AD590的测量信号可远传百余米。

综合比较方案1与方案2，方案2更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。

2.2.2湿度传感器的选择

方案1：

采用HOS-201湿敏传感器。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。

这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

方案2：

采用HM1500湿度传感器。

线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用获得专利的湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为5％～99％（相对湿度）；相对湿度精度为3％；工作温度为-30～+60℃；工作湿度范围为0～100％（相对湿度）；供电电压为5V（最大电压DC16V）；可输出DC电压为1～4V；响应时间为5s，适用于工业级场合。

方案3：

采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃，可见精度是较高的。

综合比较方案一，方案二和方案三，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现叫困难，而且还不能在系统要求的温度条件下工作，方案二测量精度不符合设计系统要求。

因此，我们选择方案三来作为本设计的湿度传感器。

2.3信号采集通道的选择

在本设计系统中，温度输入信号为多路的模拟信号，这就需要多通道结构。

方案1、采用多路并行模拟量输入通道

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）可以根据各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。

（2）硬件复杂，故障率高。

（3）软件简单，各通道可以独立编程。

方案2、采用多路分时的模拟量输入通道

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）对信号保持和A/D转换器要求较高。

（2）处理速度慢。

（3）硬件简单，成本低。

（4）软件比较复杂。

综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。

图2-4多路并行模拟量输入通道

图2-5多路分时的模拟量输入通道

3系统硬件设计

3.1信号采集电路的设计

3.1.1温度信号采集

3.1.1.1温度传感器主要特性

AD590温度传感器是电流型温度传感器，通过对温度的测量可得到所需要的电流值。

根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。

AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。

1、流过器件的电流（

）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

式中：

——流过器件（AD590）的电流，单位

。

T——热力学温度，单位K。

2、AD590的测温范围-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流

变化1

，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

4、输出电阻为710MΩ。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

3.1.1.2温度测量电路

图3-1是AD590用于测量热力学温度的基本电路。

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个40kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。

因为流过传感器的电流与热力学温度成正比，当电阻

和电位器

的电阻之和为40kΩ时，输出电压

随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器

，使

=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整只保证在0℃或25℃附近有较高的精度。

图3-1　AD590应用电路

如图3-1所示，电位器

用于调整零点，

用于调整运放LF355的增益。

调整方法如下：

在0℃时调整

，使输出

=0，然后在100℃时调整

使

=100mV。

如此反复调整多次，直至0℃时，

=0mV，100℃时

=100mV为止。

最后在室温下进行校验。

例如，若室温为25℃，那么

应为25mV。

冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。

3.1.1.3温度多路检测信号的实现

本设计系统为八路的温度信号采集，而MC14433仅