智能温湿度测量记录仪研究报告.doc

仪器科学与光电工程学院智能温湿度测量记录仪研究报告1.研究意义现在的精密测量和精密加工中，环境因素是影响精度的主要因素之一，其中的温度、湿度是环境的两项主要指标。当前，已经开发了很多温湿度测量系统，一些高精度温度传感器的精度可到0.01，然而价格非常昂贵，一般只作为高分辨力的精度测量和用作测温仪器的标准。而对于生产应用中的较低精度温湿度测量系统，现有的系统多采用了与计算机直接结合的工作模式，增加了系统的成本。鉴于目前的情况，我们提出以价格低廉的单片机作为控制核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，构成了低成本的智能温湿度测量系统。在该系统中，根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温度点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、存储，实现温、湿度的智能测量。经初步预算，该系统的成本仅为数百元人民币，价格低廉。另外，该系统具有与计算机的通讯功能，在长时间数据采集完成后，可以将数据在传送到计算机进行相关的研究分析。因此，该系统即具有现有的计算机控制的智能测量功能，又节省硬件成本。另外，我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小，即可用于实验室环境温度的测量，又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。其功能如下：1.测量空间多点的温度和湿度：根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。2.长时间测量数据记录功能：可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。3.通讯功能：与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。采用此通讯方式成本低。将采集的数据传入计算机，在Windows环境下通过对温湿度数据进行分析，得出空间温度场和湿度场的分布情况。要求达到的技术指标：测温范围：-20100测温精度：0.1测湿范围：0100%RH测湿精度：3.5%RH测量仪特点：1长周期数据自动记录2空间温度场、湿度场测量3.精度较高4.价格低廉2.研究内容2.1总体方案设计以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度信号调理电路，湿度信号调理电路，A/D转换及滤波电路，数据存储及显示电路。选用的主要器件有：温度传感器PT100，湿度传感器HIH-4000-1，Atmel89C52，A/D转换器ICL7109，数据存储器28C64或6264，液晶显示模块GXM12232E，模拟开关CD4051，MAX232，高精度集成运算放大器OP07。2.2各部分电路设计2.2.1温度信号调理电路采用Pt100温度传感器，利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值有一定的函数变化,这个温度/阻值函数，需要用程序来实现。其特点是精度高，稳定性好，适合于较高要求的工业、计量测试等使用要求。Pt100传感器温度/阻值对应关系为：（1）-200t0时，RPt100=1001+At+Bt2+Ct3（t-100）（1）（2）0t850时，RPt100=100（1+At+Bt2）（2）式中，A=3.9080210-3；B=-5.8010-7；C=4.273510-12图2.2.1是根据所选择的温度传感器而设计的调理电路。在该电路中，根据要求的温度测量范围-20100及ADC的满度电压-4.096V4.096V，将放大电路的放大倍数控湿度传感器数据采集电路信号调理电路单片机控制处理系统存储扩展通讯扩展显示扩展其他扩展温度传感器图2.1系统原理框图Pt100温度传感器图2.2.1温度信号调理电路制在100倍左右较为合适。这通过调节电位器W2实现。在0是，应调节W1，使电桥达到平衡。2.2.2湿度信号调理电路选用的湿度传感器HIH-4000-1芯片内具有信号处理功能，该传感器的线性电压输出可直接输入A/D中。该元件具有多层结构，能适应环境的不利因素，像在潮湿，灰尘，污垢，油类等环境中具较强的抗力。另外该传感器还有精度高，体积小巧便于安装，响应时间短，互换性较好等优点。可以根据该传感器的技术要求，由软件来实现温度补偿，提高测量精度，其特性曲线见图2.2.2.1。HIH-4000电容式湿度传感器图2.2.2.1湿度传感器特性图2.2.2.2湿度信号调理电路根据上述传感器特性曲线，设计了图2.2.2.2所示的电路图。2.2.3滤波电路及AD转换电路2.2.3.1滤波电路温湿度传感器的输出信号经过各自的信号调理电路之后，由于元器件，电缆线，电源等噪声的干扰，输出波形会发生变化。此时可根据系统的特性设置一低通滤波器，具体电路如图所示；一般系统要求在较稳定的环境下工作，信号的频率一般在几个赫兹以内即可。带通增益为1，此滤波电路的截止频率为5HZ。2.2.3.2AD转换电路A/D是该系统中连接模拟部分和数字部分的纽带，把传感器部分的模拟信号转变成为单片机系统所需要的数字信号。考虑到仪器用于环境温度变化并非剧烈的情况下，传感器输出信号是较稳定的模拟信号，对ADC的转换速率要求不高，可以选用高精度，低噪声，低漂移，低价格的12位双积分式A/D转换器ICL7109。其输出数据为12位二进制数，配有较强的接口功能，可以较方便的连接各种微处理器。2.2.4数据存储，显示及通信电路数据存储选用容量为8KBITE的EEPROM28C64或静态RAM6264，二者的管脚可以兼容，在此电路中最大的区别是2864具有掉电保护功能，而6264在掉电后数据丢失。对温度湿度最后测得的数据采用液晶模块GXM12231E来显示，由8255A对单片机进行I/O扩展以后，8255A的PA口作数据口，PC口的PC4，PC5，PC6作为控制口来与GXM12231E连接，PB则作为键盘扩展接口，键盘功能留待后续开发。通信部分采用RS232串行通信方式，采用MAX232芯片，将采集的数据传送到PC机，对温湿度数据进行曲线分析。这部分详细电路见附件2。2.3软件设计图2.2.3.1二阶低通滤波电路图2.2.3.2软件设计的思路：开机显示“智能温湿度测量记录仪”，然后进入数据的采集，处理，显示的循环程序；数据的存储由定时器T0中断控制，设定在每5分钟向外部数据存储器写入当前的温湿度采样值；串行通信中，由T1作波特率发生器，显现与PC机的通信。2.4试验标定由于实验室里的条件限制，我们只能测温部分进行标定。将温度传感器与恒温箱内的温度传感器绑在一起，屏蔽电缆尽可能地放入恒温箱内（屏蔽电缆的电阻随温度会发生变化。），在0，20，30，40，50，60，70，80几个温度点下，读取电桥输出电压，以及放大后的电压，并记录液晶上显示的温度情况。每一温度下作多组测量。求取平均值，如表2.4所示。分别以液晶显示温度，电桥输出电压，放大后输出电压作为自变量，设定温度作为因变量，用Sma4软件进行分析，拟合出二次线性曲线，选出线性最好的一组是TU关系，如图2.4所示，因此得出温度T与温度传感器电路U的数学表达式为2030518690003572230064930V.V.T3.结论我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小，即可用于实验室、车间、厂房环境温表2.4设定温度T/液晶显示温度t/电桥输出电压Ui/mV放大后输出电压U/V0-0.230-0.191-0.01492020.2628.8840.8953029.61013.4431.3494039.08317.9401.8015048.85622.4842.2516058.57326.9572.7027068.11031.4173.1498077.65836.0583.6080123020406080y=anxna0=3.006493e-01a1=2.200357e+01a2=3.051869e-025.386440e-02|r|=9.999977e-01电压（V）温度（C）图2.4测量电路的温度电压关系湿度的测量，又可用于仪器设备等的内部环境测量。从方案的确定，电路各部分的