智能温度、湿度传感器设计

智能温湿度传感器硬件设计姓名王洪宽专业机械工程及自动化年级07级学校昆明理工大学指导老师张文斌职称副教授所在单位昆明理工大学目录摘要IVABSTRACTV第1章绪论111课题介绍112传感器技术发展现状2121传感器技术发展现状2122智能传感器技术发展313智能温室控制系统应用现状6131智能温室控制系统发展现状6132、智能温室控制系统传感器的选择714本论文的主要任务8第2章智能温湿度传感器数据采集模块的硬件设计1021传感器选择依据1022传感器主要特性11221温度传感器主要特性11222HS1101湿度传感器主要特性。1523传感器外围电路的设计19231MAX6691芯片的简介及主要特点19232温度传感器对温度的测量20233555定时器特点及芯片简介22334湿度传感器的测量电路25第3章智能温湿度传感器中央处理器及其外围电路2831单片机的选择28311飞思卡尔单片机的应用现状28312单片机的选择2932MC9S12X12880PIN嵌入式系统单片机31321MC9S12X12880PIN嵌入式系统单片机的特点31322MC9S12X12880PIN嵌入式系统单片机的内部结构31第4章PROTEL电路设计与制板3441PROTEL软件特点及电路设计步骤34411PROTEL软件特点及简介34412电路板设计基本步骤3542电路工程设计部分35421电路原理设计35422原理图设计3643PCB板的设计38431元器件的布局设计39432PCB布线设计39第5章智能温湿度传感器的标定试验4451温度传感器的标定试验4452湿度传感器的标定实验45结论48总结及体会50谢辞52参考文献53附录55附录一部分实验图片55附录2外文及译文56外文原文56中文翻译68摘要温室环境调控水平对发挥设施农业优质高效的生产功能具有重要影响。特别是对稀有植物、珍贵花卉和苗木的培养困难这一特点，提出了温室控制系统理论。而温室控制系统的关键技术是对温度和湿度的准确采集。针对温湿度采集问题提出了智能温湿度传感器的设计。智能温湿度传感器是一个由传统传感器和微处理器或微计算机相结合而构成的一个系统，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的信号最佳。它的智能化体现在信号的采集、调理、处理及输出的整过程都是由系统本身完成的。系统的优点主要包括系统精确度高、反应灵敏、输出响应快、节省电能以及长期工作稳定等方面。从传感器的性能特点入手，设计调理电路使得传感器线性度好，灵敏度高，输出精确且能适应长期工作等优点，再由微处理器对采集到的数据信号处理输出显示或者直接控制驱动模块实现对温湿度的直接控制，本设计实现了同时四路温度采集和两路湿度度采集，满足温室控制系统的同时对多点信号采集的要求。关键词温室控制；智能；传感器；信号处理ABSTRACTTHEGREENHOUSEENVIRONMENTREGULATIONLEVELOFFACILITIESAGRICULTUREPLAYHIGHQUALITYANDHIGHEFFICIENCYONTHEPRODUCTFUNCTIONHASIMPORTANTINFLUENCEESPECIALLYFORRAREPLANTS,RAREFLOWERSANDSEEDLINGCULTIVATIONDIFFICULTIESOFCHARACTERISTICTHATPUTSFORWARDTHEGREENHOUSECONTROLSYSTEMTHEORYBUTTHEKEYTECHNOLOGYOFGREENHOUSECONTROLSYSTEMISACCURATEACQUISITIONFORTEMPERATUREANDHUMIDITYACCORDINGTOTHECOLLECTIONPROBLEMHASPROPOSEDINTELLIGENTTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORDESIGNINTELLIGENTTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORISASYSTEMTHATFROMTRADITIONALSENSORANDMICROPROCESSORORMICROCOMPUTER,COMBINEDCONSTITUTESYSTEM,WHICHISFULLYUTILIZETHECOMPUTERCALCULATIONANDSTORAGECAPACITYFORSENSORSDATAPROCESSING,ANDFORITSINTERNALBEHAVIORCANBEADJUSTED,MAKETHEACQUISITIONOFTHESIGNALISTHEBESTITSINTELLIGENTREFLECTEDINSIGNALCOLLECTION,TONES,PROCESSINGANDOUTPUTWHOLEPROCESSISCOMPLETEDBYTHESYSTEMITSELFSYSTEMMAINLYADVANTAGESINCLUDESTHATSYSTEMWITHHIGHPRECISIONANDSENSTIVEREACTION,OUTPUTFASTRESPONSE,SAVEELECTRICITYANDLONGTERMSTABLEWORK,ETCFROMTHEPERFORMANCECHARACTERISTICSOFSENSORDESIGNREGULATECIRCUITTHATMAKETHESENSORHASEXCELLENTLINEARITY,HIGHSENSITIVITY,OUTPUTPRECISEANDCANADAPTLONGTERMWORKETC,ANDTHENMICROPROCESSORCANCONTROLCOLLECTEDDATASIGNALPROCESSINGOUTPUTDISPLAYSORDIRECTCONTROLOFTEMPERATUREANDHUMIDITYDRIVERMODULEREALIZETHEDIRECTCONTROLTHISDESIGNREALIZEDFOURWAYSOFTEMPERATUREANDTWOROADHUMIDITYACQUISITIONMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEGREENHOUSECONTROLSYSTEMINMULTIPOINTSIGNALACQUISITIONKEYWORDSGREENHOUSECONTROL；INTELLIGENCE；SENSOR；SIGNALPROCESSING第1章绪论11课题介绍温室环境调控水平对发挥设施农业优质高效的生产功能具有重要影响。尤其是稀有植物、珍贵花卉和苗木的生长都需要某种特定的温度、湿度和光照度等条件，当环境条件不能满足上述要求时，它们便停止生长，甚至腐烂、死亡。而要获得植物生长所需的最佳条件，不能单独静态地考虑某一因素，而应从整体上综合地研究环境参数控制问题。温度对植物生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。空气相对湿度或饱和差是影响植物吸水与蒸腾的重要因子之一。在相对湿度较小（饱和差较大）时，如土壤水分充足，则植物蒸腾较旺盛，植物生长较好。若较长时间空气湿度处于饱和条件下，植物生长将受抑制，导致谷物子粒的灌浆速度降低，棉花蕾铃脱落加重，棉子生命力降低和影响棉花采收质量等。相对湿度太小，会加重土壤干旱或引起大气干旱，特别在气温高而土壤水分缺乏的条件下，植物的水分平衡被破坏,水分入不敷出，会阻碍生长而造成减产。相对湿度和饱和差的高低，可制约某些植物花药开裂、花粉散落和萌发的时间，从而影响植物的授粉受精。影响植物生长的因素主要有温度、湿度、土壤水分、光照度和CO2浓度等。研究发现温度对植物的影响占40，湿度占28，它们对植物的生长起主要作用。因此，本系统主要研究温度和湿度对植物的影响和智能化温室中对环境温湿度的调控。智能化温室控制系统，即根据植物生长发育的需要，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术，自动测控温室的环境参数，其中包括温度、湿度、光照度等，使植物在不适宜生长发育的反季节中，获得适宜的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的1。12传感器技术发展现状121传感器技术发展现状国标GB766587中将传感器定义为能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。作为现代科技的前沿技术，传感器技术在国内外得到迅速发展，作为信息、采集的手段，传感器是现代高新科学技术发展的不可或缺的重要技术，世界上许多国家都将传感器技术作为现代科技发展的关键技术。我国在“十五”计划中把传感器微电子作为重点发展项目。传感器技术是信息、技术的二大基础之一，自80年代起就得到了世界各国的重视。在今后的发展中，新材料的开发、集成化、多功能化、智能化、加上技术微精细化、指标高精度化、性能高稳定、高可靠及网络化将成为传感器技术的研究重点。其中智能化和网络化体现了多种技术的结合，是当今国际研究热点之一。随着网络时代的进步和信息化程度的不断提高，计算机网络技术和智能传感技术的结合日趋紧密，并由此产生了智能传感器网络技术2。从传感器技术的发展趋势来看，应当重视发展先进的传感器制造工艺技术，研制新型传感器产品。当前应当大力发展MEMS工艺和微传感器，集成工艺和集成传感器，智能化技术和智能传感器，网络化技术和网络传感器3。传感器的准确度、稳定性和可靠性以及数据处理能力一直是用户最为关心的问题。因此，长期以来人们不断致力于重新认识和发现新的物理、化学、生物现象，开发新材料，发展微细加工技术，以求在传感器硬件方面有更大的进展。系统自动化程度的提高和复杂性的增加，使以微型计算机为基础的测控系统需要传感器提供数据以做出实时决策，因而给传感器的综合精度、稳定可靠性和响应提出了越来越高的要求。目前，人们将微处理器智能技术和微机械加工技术MEMS应用于传感器，不再是仅依赖硬件的改进，而是用存放于微处理器中的功能强大的软件对系统进行非线性自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、抑制噪声。此外，人工智能、专家系统、模糊逻辑、神经网络等也加强了对传感技术的影响，增强了传感器的“智能化”功能，这就是智能传感器SMARTSENSOR或智能换能器SMARTTRANSDUCER。因此计算机的出现和微处理器技术应用于传感器是“DUMBSENSOR”和“SMARTSENSOR”的分水岭。将IP传感器布置在测控现场，处于控制网络中的最低级，其采集到的信息传输到控制网络中的分布智能节点，并由它处理，然后传感器数据散发到网络中。网络中其它节点利用这些信息作出适当的决策，如操作执行器、执行算法4。集成电路和微机械工艺促进了传感器技术的发展，改变了传感器作为单纯物理量转换的传统概念。目前，传感器的发展主要集中在集成化和智能化两个方面。集成电路和各种传感器的特征尺寸己达到亚微米和深亚微米量级，由于非电子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其体积、重量、价格等的减小。智能化是将传感器或传感器阵列与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上或封装在同一管壳内。系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准和自诊断，并能根据待测物理量的大小及变化情况自动选择量程和测量工作方式。和经典的传感器相比，集成智能传感器能够减小系统的体积、降低制造成木、提高测量精度、增强传感器功能，是目前国际上传感器研究的热点，也是未来传感器发展的主流5。122智能传感器技术发展本设计倾向于智能化传感器的设计，作为智能传感器，应具有如下功能不必须全部具备61自补偿能力通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。2自校准功能操作者输入零值或某一标准量值后，自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。3自诊断功能接通电源后，可对传感器进行自检，检查传感器各部分是否正常，并可诊断发生故障的部件。4数值处理功能可以根据智能传感器内部的程序，自动处理数据，如进行统计处理，剔除异常值等。5双向通信功能微处理器和基本传感器之间构成闭环，微处理机不但接收、处理传感器的数据，还可将信息反馈至传感器，对测量过程进行调节和控制。6信息存储和记忆功能。7数字量输出功能输出数字信号，可方便的和计算机或接口总线相连。为便于产品的进一步推广应用，本系统除应具有以上主要功能外，还要求在软硬件的实现上，经济实用。智能传感器的概念最初是美国宇航局NASA1978年在开发宇宙飞船的过程中形成的。宇宙飞船在太空飞行时，需要知道它的速度、姿态和位置等数据。为了宇航员能正常生活，需要控制舱内温度、气压、湿度、加速度、空气成分等，因而要安装大量的传感器，进行科学实验，观察也需要大量的传感器7。要处理如此之多的由传感器所获取的信息，需要，一台大型电子计算机，而这在飞船上是无法做到的。为了不丢失数据，又要降低成本，于是提出了把CPU分散化处理的设想，从而产生出智能化传感器。关于智能传感器的概念，从80年代起就在传感器学术刊物上进行讨论8。一种看法认为将一个或多个敏感元件或某些信号调节电路集成到一个硅或类似硅的芯片上。另一种看法认为除了集成的智能传感器外，将敏感元件和电子线路都紧凑地安装在同一外壳内的叫智能传感器。通常，后者也称之为混合智能传感器9。90年代初国际上关于智能传感器比较一致的看法是具有一种或多种敏感功能、信号提取、信号处理、逻辑判断、双向通讯、决策、自检、自校、自补偿、自诊断、计算等功能的器件叫智能传感器。针对不同的测试对象，智能传感器的上述功能有所侧重和选择。国外“SMARTSENSOR”和“INTELLIGENTSENSOR”的用法转化而来的智能传感器一词，从这个概念推出以来，学术界就有不同的争议。目前国内外学者普遍认为10,智能传感器是由传统的传感器和微处理器或微计算机相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。其原理图11。图11智能传感器原理框图微处理器举世瞩目的成就带来了数字化、信息化的革命，人们将微处理器智能技术用于传感器，使这一设想得以实现。八十年代末期，人们又将微机械加工技术和纳米技术应用到传感器，使智能传感器的开发和应用有了更加广阔的前景。MCU在各种领域的成功应用已引起传感器行业越来越大的兴趣，众多的传感器家族中正不断出现带MCU的新成员。MCU的加入给传感器的日益智能化带来了不可估量的影响，解决了长期困扰传感器应用的调零、线性化、自检、通讯和微型化等难题，人们正越来越多地体会到采用计算机技术将传感器从硬逻辑转化到软逻辑的诸多优点。与此同时，MCU在其他领域的技术发展也必将被应用到传感器领域中。节电设计就是其中之一。在MCU未加入之前，传感器的节电措施主要依赖于低功耗器件、降低工作电压和工作频率。然而，传感器在运行过程中或多或少地存在着各种等待状态，此时的无谓耗电完全应该节省下来，但由于传统传感器的工作方式和工作节奏都难以在运行时改变，因而，很难实现这种节电目标。如今MCU的加入却能改变这一状况11。当然，由于过程测量控制领域的系统设计寿命一般都有几十年，因此，目前大规模地更换现有系统，从经济角度显然是不现实的12。因此，在今后相当长的段时间内，智能传感器技术的发展虽然是大的方向，但传统传感器与智能传感器并存也是要有相当一段时间的。然而，作为传感器发展的一个重要方向，智能传感器的研究得到了国内外许多学者的关注。任宏超等设计了带USB接口的智能传感器，在通过485USB转换，实现智能传感器的现场标定13；秦刚等的研究给出了智能传感器实现的二元非线性补偿的几种方法和实施步骤。通过采用计算机先做非线性补偿工作，再将所需的程序及数据传递给智能传感器，使智能传感器能独立工作，这样可以较明显地降低智能传感器的成本14。和传统的传感器相比，集成式微型智能传感器具有体积小、速度快、成本低、功耗少、可靠性高、精确度高以及性能优越、功能强大等优点。正是这些优点使集成式微型智能传感器成为目前传感器技术的研究热点和发展方向15。13智能温室控制系统应用现状131智能温室控制系统发展现状近几十年来，随着计算机、电子等方面相关工程技术的发展，设施园艺有了很大的发展。荷兰的人地矛盾非常突出，人口密度很大，但同时它的园艺、种苗、温室设施设备等享誉世界，是世界上农产品出口最大的国家之一。1万H的设施栽培，是荷兰经济的重要支柱。荷兰温室结构主要是文洛型，近年来，开始向大型化方向发展，05H时以下的温室越来越少。荷兰的种苗行业十分发达，种植者一般都不自己播种育一苗，130多家种苗公司向种植者提供优质种苗、种子。在温室结构、计算机控制、机械化、自动化方面的技术、设备开发以及农产品的分级、包装、运输等方面大型温室公司起着重要的作用，促进了设施园艺的发展。荷兰的DEWIT学派，在基于作物生一长模型的温室控制系统方面提出一系列的控制模型理论。美国设施园艺是从二战后开始起步的，在其强大的工业技术支撑下，20世纪90年代以后，又有了较大的发展。在设施专用品种、温室降温设备、环境控制的传感器设备方面均处于世界领先地位。在国家相关部门的支持下，其在作物生长模型及配套的控制系统方面都有了很大的进展。以色列由于其恶劣的自然条件，人力发展了设施园艺产业，尤其在微灌没施及控制领域，处于世界领先地位。世界上首个具有一定实际应用价值的温室作物模型就是该国科研人员的研究成果，在温室专用作物品种的开发研究方面，也具有相当的优势。日本温室以塑料温室为主，因而其塑料行业也比较发达。在温室内配套的小型农用机具方面，日本的产品在国际市场上有一定地位。通过计算机控制温度、湿度、C02、肥料等的设备日本称为“植物工厂”，已在日本普及。另外，法国、西班牙、英国、韩国、加拿大、澳大利亚等国的设施农业都是比较发达的。部分国家在设施园艺领域还开展了国际合作，并取得了一定的成果。随着近年来国家相关科研项目的启动，在吸收国外先进技术成果的基础上，我国的设施农业有了较快的发展，设施面积和设施水平不断提高。在产业化方而发展态势良好，温室结构与设备的研究达到了相当高的水平16，温室作物与环境模型的研究近年来也有不少文献报道17。在温室环境控制设备及技术方面，浙江大学、中国农业大学、吉林大学、江苏大学等在基于单片机应用条件下的工业现场控制总线技术,远程通信系统及接口技术、分布式网络控制技术,蓝牙技术等方面的技术在温室中的应用作了大量的研究，并取得了一定的成就，国产的温室控制系统开始在一些农业园区中使用。132、智能温室控制系统传感器的选择数据采集系统是温室整个检测控制系统的信息来源，它关系到整个系统检测、分析加工和控制的可靠性与准确性。传统的温室数据采集系统通过各种传感器对温室的环境参数光照、温度、湿度、COZ浓度和营养液PH值和EC值等和作物的生理参数植物的表面电位、蒸腾量、微量生长、植株水势和植株形态等进行检测，对采得的原始数据进行A/D转换和一定的预处理后，通过总线如RS232和RS485向主机传输18。周长吉等认为传感器是温室控制装置准确控制的第一要素，它获得信息的正确与否直接关系到整个系统的测量精度和控制精度。所以，选配合适的传感器是进行自动控制的一个重要步骤19。嵌入式计算机接口的下一个主要突破将是使数字器件能监视模拟世界的便宜的传感器。温度传感器，光传感器，运动传感器，以及其它传感器己经使得嵌入式计算机能够跟踪许多真实世界的活动与情况。随着这些技术的成熟，更复杂的器件将像眼睛，耳朵以及其他感觉器官那样，为计算机网络服务20这里主要针对温度和湿度传感器的选择。作物的生长与温度和湿度有密切关系，农业设施的控制参数中，温度与湿度检测、控制是主要参数之一。在这里我们选择的温度传感器是NTC热敏电阻传感器和HS1101湿度传感器。具体原因在下一章中给于介绍。至今为止，人们只是监测作物周围的环境情况，并没有测量作物本身。将来这种情况可能会改变，诸如植株的温度、光合作用、蒸腾作用、茎和果实的直径变化等一些生理过程也将被测量。温室中的一氧化碳浓度将根据植株光合作用的情况来决定，用蒸腾作用的实际数据来决定水分和营养液的供给景无土栽培，通过检测植物的攀和宋实的直径变化，来决定植物的灌溉间隔，根据植株的温度的测量值来进行温室内的环境控制等。这要求测量更多的参数，所需的传感器种类会越来越多，传感器在温室大棚的应用前景也会越来越广阔，所以，在稳定已有产品性能的同时，开发适用于温室环境控制的各类传感器是当务之急。14本论文的主要任务本论文相关研究内容为基于单片机技术的智能温室控制系统。其硬件结构示意图如图12。论文主要任务是结合我国温室的实际情况，选择合适的温湿传感器，设汁外围调理电路，并将调理后的模拟信号通过一些集成芯片转换为数字信号，传入单片机，由单片机对所采集的数据进行分析，从而控制输出显示和控制喷淋、遮阳、通风、加热等环境参数调节执行系统。使得温室内的环境参数最适合所培植的植物生长，达到提高产量和质量的目的。图12温室智能传感器模块示意图第2章智能温湿度传感器数据采集模块的硬件设计21传感器选择依据传感器的信号是整个测控系统的基础，它的准确性和合理性对整个测控系统的性能有重要影响，在本论文相关设计中，对于传感微部分的选择主要考虑了以下几个方面的内容首先，通过查阅大量农业园区的基本信息，我们发现在实际的生产性温室中，目前基于我国实际国情，温度、湿度传感器的使用是最为普遍的，而其他的传感器在生产性温室中应用不多，因此，本设计中选择对温度、湿度传感器集成。其次，传感器本身的精度要求必须合乎温室控制系统设计规范中的规定温度测量范围050；测量误差05；湿度测量范围0100RH；测量误差05RH中华人民共和国机械行业标准JB/T103062001。再次，综合考虑传感器的价格和性能要求方面，根据前文对传感器发展趋势的分析，本设计中，在传感器的选择上尽量选用了集成度比较高的产品。温度传感器采用了负温度系数的的热敏电阻温度传感器，该传感器与MAX6691配合使用，大大的简化了调理电路的复杂程度，并且最多可以同时检测四路温度，满足温室测控中对多点温度的同时检测。相关论文中涉及比较多的AD590和DS18B20相比较，具有明显的价格优势，并能够合乎本系统的设计要求。湿度传感器采用HS1101电容式湿度传感器，它具有很好的精度，它的外围电路设计简单，从而提高了系统的可靠性。最后，在传感器的选择上，还考虑到了由于温室中传感器是在系统中发挥作用，因此传感器的性能必须符合以下要求长期稳定性好。温室控制是一个长期的过程，只有长期工作稳定才适用。这就需要解决涉及传感器稳定性的关键技术，包括材料、工艺等。能适应系统要求，温室农业的实质是实现人为调节和控制作物生长环境条件，是通过一个闭环系统来实现的。因此传感器的性能都应该与控制系统相适应。尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。优良的性能价格比，出于用量较大，因此必须要求其价格较低廉，否则难于推广。22传感器主要特性本设计中选用的传感器分别为NTC负温度系数热敏电阻温度传感器，HS1101电容式湿度传感器。221温度传感器主要特性本设计采用的NTC热敏温度传感器由指导老师张文斌副教授提供。NTC温度传感器的简介及其主要特性如下21热敏电阻传感器是对温度敏感的电阻器的总称，是半导体测温元件。负温度系数热敏电阻大多是由MN锰、NI镍、CO钻、FE铁、CU铜等金属氧化物经过烧结而成的半导体材料制成，具有很高的灵敏度和良好的性能，被大量作为温度传感器使用。NTC热敏电阻具有灵敏度高、热容量小、响应速度快、体积小、价格低、高阻值等优点，使它被广泛用于家用电器、电力工业、军事科学、海洋探测、宇航等温度测量和控制的场合。但由于热敏电阻的温度特性存在严重的非线性，因此，用在精密测温系统时，必须对它进行高精度线性化补偿。常用的NTC热敏电阻非线性补偿方法有221NTC热敏电阻经验公式法，在较宽温度范围测量应用时，测温误差较大；2直接多项式拟合法，在宽温度范围应用时，拟合的多项式阶数较高，测量精度低；3分段多项式拟合法,补偿算法又较为复杂。4硬件电路补偿法，在一定的温度范围内能得到较满意的补偿效果，但在宽温度范围使用时存在电路复杂、可靠性和准确度低等不足；针对温室控制系统的特点，其测量范围是一个很小的范围内，所以本设计采用方法（4）硬件电路补偿法，此法在一定温度范围内能有满意的效果。NTC负温度系数热敏电阻传感器是温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度即温度每变化1时电阻的变化最高，但热敏电阻的电阻温度曲线是非线性的。对于温度传感器特性，本实验数据是在标准的环境下测量得到的，其中用到的可程式恒温恒湿试验机是东莞市宏展仪器有限公司所生产的。可程式恒温恒湿试验机又称模拟环境试验机，其可靠度、精确度很稳定性极为重要。其应用产业包括光电、半导体产业、电子相关零件产业、家用电器、电子礼品、文具礼品汽车零件业及计算机相关产业等。可程式恒温恒湿试验机其型号为LP80U。温度范围为40到150（可根据实际需要任意设定）；湿度范围为20RH到98RH（可根据实际需要任意设定）。其升降温速度从常温到150需约40分钟（非线性空载，约35/分钟），从常温降至40需约60分钟（非线性空载，约10/分钟）。机器的精确度很高，解析精度温度为10，湿度为10RH；控制精度温度为05，湿度为25RH；分布精度温度为20，湿度为20/30RH。基于可程式恒温恒湿试验机在编程上简单，测量精度高，为传感器性能参数测量提供了准确的环境，使得实验数据精确度大大的提高。其操作界面如图21所示。图21可程式恒温恒湿试验机操作面板在温度传感器性能参数测量过程中，还使用了固纬电子实业股份有限公司生产的高精度LCR测量仪LCR8101,其主要性能包括20HZ1MHZ宽测试频率，6位测量解析度；10MV2V测量电平；01基本测量精度。测量类别很多，包括电容、电感、电抗、电纳、阻抗、导纳、直流电阻、交流电阻、品质因子、耗散因子和相位角等。并且一次可测量多个量。其操作界面简单，使用方便。测量精度高，为实验数据准确度提供了可靠的保障。其控制面板如图22所示。图22高精度LCR测量仪操作面板在对温度传感器性能参数测量过程中，首先通过对可程式恒温恒湿试验机编程，使其温度范围从20到100间隔05缓慢上升，且每上升05停留5分钟，便于LCR8101测量仪测出相应的数值，因为在读数过程中，数据始终有一点波动，固在这5分钟内对应的同一个温度下，测量3个电阻值，在求其平均值，作为最终的数值，以便于减小测量误差。其测量数据见附录。同理再从100到20测量一次。得出相应的实验数据，分别从各组数据中以间隔10取出数值，画出传感器阻值随温度变化曲线。见表21和图23所示。表21中数据是用对1OK3A1热敏电阻系列测得的NTC热敏电阻器性能参数。表21热敏电阻性能参数表TEMP（）RTKRT/R2520953370953370105476945476940325030325030101987471987472012492212492225100000100000308054108054140531640531645035870035870602470002470070173370173378012381012381900899100899110006630006630从数据可以看出25时阻值为10K的电阻，在0时电阻为548K，60时电阻为247K。与此类似，25时电阻为5K的热敏电阻在0时电阻则为274K。其中电阻值以一个比率形式给出RTR25，该比率表示当前温度下的阻值与25时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻温度曲线口。20020406080100012345678910TEMPRT/R25图23NTC热敏电阻（RT/R25）随温度T变化关系222HS1101湿度传感器主要特性。湿度传感器是根据某种物质从其周围空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，从而获得该物质的吸水量和周围空气的湿度。湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，由于它具有灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。但电阻对温度的敏感因而限制了器件在较大温度范围内的应用，因而电容湿度传感器越来越受到重视。其特点为（1）全互换性在标准环境下不需校正；（2）长时间饱和下快速脱湿；（3）可以自动化焊接包括波峰焊或水浸；（4）高可靠性与长时间稳定性；（5）专利的固态聚合物结构，可用于线性电压或频率输出回炉；（6）快速反应时间23。本设计所使用的HS1101电容型湿度传感器在淘宝网上购买的，单价9元。在测量过程中同样使用了可程式恒温恒湿试验机为实验提供湿度环境，在整个测量过程中，湿度从20RH以间隔5RH上升至95RH,每对应一个湿度值停留10分钟。在这10分钟内读出5个值，求其平均值得到最终的数据。同样使用高精度LCR测量仪测得对应湿度环境下的电容值。测完后和温度传感器一样在反过来测量一次，取出对应值画出两条湿度与电容关系曲线。这样得到到的数据和误差可以减小到最小。在温度T65时，测量工作频率为10KHZ，CRH特性曲线如图1，从特性曲线图上可以看出，HS1101具有极好的线性输出。其工作机理是当基于电极间的感湿材料吸附环境中的水份时，其介电常数随之变化，等效电容与环境中水蒸汽的关系表示为式21所示C0S/D（21）其中0是真空介电常数、是感湿材料的介电常数、S是电容式传感器有效面积、D为感湿膜厚度。HS1101湿度传感器的线性输出电压与湿度的关系如式22所示VOVCC000474RH02354（22）其中VO为湿度传感器输出电压，VCC为电源电压，RH为对应的环境适度。在环境湿度检测中，既可以利用HS1101湿度传感器的等效电容与湿度的关系，组成振荡器，将湿度与电容的关系转化为湿度与频率的关系，测量频率达到检测湿度的目的；也可以利用HS1101湿度传感器的输出电压与湿度的关系，测量电压实现湿度检测。本系统利用HS1101的等效电容与湿度的关系，测出频率实现湿度的测量。在对湿度传感器性能参数测量过程中使用了东莞宏展仪器有限公司所生产的可程式恒温恒湿试验机为其提供标准的湿度环境，湿度环境变化范围为20RH到95RH,为了使得湿度的便范围最大化，固把温度值固定在65，还使用了固纬电子实业股份有限公司生产的高精度LCR测量仪LCR8101，测量其电容，量实验仪器在上节温度测量过程中使用过，其性能参数不再做介绍。所得实验数据如表22所示。得到其电容随其湿度的变化关系如图24所示。表22湿度传感器HS1101性能参数湿度RH电容值PF湿度RH电容（PF）2020397952586602522139290254382302231628525081335224680802469884022635675243264452278677024034950230067652378415523221360234707602344305523287965236875502306827023968845228461752425004022635980245806352243868524965930222630902539932522093295258433202197392030405060708090100215220225230235240245250255260RHPF图24湿度传感器电容随湿度变化曲线HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。用555集成电路组成振荡电路，HS1100湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换。HS1101湿敏传感器是采用侧面开放式封装，只有两个引脚。有线性电压输出和线性频率输出两种电路。在使用时，将2脚接地，这里选用频率输出电路。该传感器采用电容构成材料，不允许直流方式供电，所以我们使用555定时器电路组成单稳态电路。23传感器外围电路的设计231MAX6691芯片的简介及主要特点本系统应用MAXIM公司生产的芯片MAX6691与NTC热敏电阻温度传感器配合使用，同时对四路温度采集。首先对MAX6691做简单的介绍24。MAX6691是美国MAXIM公司推出的一款新型单线1WIRE接口四通道热敏电阻温度脉宽转换器，可用于测量四个外接热敏电阻的温度，并将所测温度值转换成一个PWM输出的矩形脉冲序列。每个脉冲的宽度与对应热敏电阻的温度相关。由于该器件采用1WIRE接口，它可以在只占用微处理器一个I0端口的条件下测量四个被测量点的温度，因而非常适用于IO端口资源比较紧张的多点分布式温度测量控制系统。MAX6691的主要特点如下具有简单的1WIRE接口；最多可测量四个热敏电阻的温度；流过热敏电阻的平均电流很小，因而可减小自身发热所产生的测量误差；采用内部基准电压，可使热敏电阻与电源噪声隔离；适用于任何温度范围的热敏电阻。MAX6691的工作原理温度测量过程如下MAX6691采用1O脚封装，其引脚说明及封装如图1所示。MAX6691含有一个漏极开路的I0端口，可以很容易地与各种类型的微处理器I0端口相接。采用MAX6691测量温度时，首先由微处理器发出一个低电平的转换请求脉冲5TPS给MAX6691，然后释放I0端口。MAX6691完成温度转换后，会发出一个宽度为125PS的低电平脉冲给微处理器，以表示数据已准备就绪。此后便可从该脉冲的上升沿开始，依次发出四个PWM脉冲，每个脉冲的宽度与对应热敏电阻的温度相关。这样，当微处理器利用内部计数器测出每个脉冲的宽度后，即可直接计算出每个热敏电阻的温度值。MAX6691外部引脚图如图25所示，工作原理图如图26所示。图25MAX6691外部引脚图图26MAX6691工作原理图232温度传感器对温度的测量温度测量过程MAX6691外接的四个热敏电阻RT1RT4中的每一个都依次与固定电阻REST脚构成一个电阻分压器，并由内部基准电压VREF供电,当微处理器发出测量请求并释放IO端口后，MAX6691将基准电压VREF施加于REXT的R端。由于REXT的R端依次与四个热敏电阻RT1RT4相连接，因此，MAX6691将依次测量出VREF和电阻REXT两端的电压VEXT，同时利用内部的电压脉宽转换器将电压值转换成不同宽度的脉冲如图27所示，然后通过运算得出所测温度。当MAX6691完成第一个VEXT值对应于RT1的温度的测量后，首先将IO端口电平拉低并保持125XS，然后保持高电平一段时间THIGH1THIGH1与第一个VEXT值成线性关系，接着再保持低电平一段时间TLOWTLOW与VREF值也成线性关系。随后，MAX6691依次将其它三个热敏电阻的温度数据按照同样的方式发送出去。发送完毕后，MAX6691将IO端口释放为高电平，从而完成一次测量转换过程。其脉冲宽度THIGH和TLOW以及电阻REXT和RT之间的关系如式23所示THIGH/TLOWVEXT/VREF00002REXT/REXTRT00002（23）电压VREF与热敏电阻温度之间的关系取决于固定电阻REXT和热敏电阻的性质。如果热敏电阻阻值RT和温度之间的关系已知，微处理器就可以利用内部计数器，并通过测量THIGH和TLOW的宽度来确定热敏电阻的温度。在每次测量转换过程中，MAX6691会向I0端口发出四个脉冲。如果某个热敏电阻对地开路或短路，那么，它所对应的脉冲将是一个窄脉冲THIGH005TLOW。所得到的脉冲如图27所示。图27MAX6691温度脉宽转换时序图其中T1、T2、T3、T4代表温度值，各符号表示的意思如下TSTART变换开始脉冲，变换开始需要C将I/O口拉低；TREADY变换结束脉冲，变换结束由MAX6691将I/O口拉低；TCONVV/PWM变换时间；TERRORTHIGH的脉冲宽度小于TLOW的5，说明该传感器开路或短路故障。REXT的选择选择REXT使热敏电阻的非线性误差最小。选择方法如下，确定测量温度范围如050。找出在两个极限温度时热敏电阻的阻值RMIN最高温度时的阻值及RMAX最低温度时的阻值，并找出中间温度值RMID即25时的电阻阻值；可用式24求出（22/RMAXMINIDMINAXMINIDEXT4）若选择好所用的热敏电阻，可用实验方法测出RMAX、RMIN及RMID的阻值或用特性曲线中求得。233555定时器特点及芯片简介555定时器是一种结构简单，使用灵活、用途广泛的单片集成电路。它具有如下三个特点1外部连接几个阻容元件，可以方便的构成施密特触发器、多谐振荡器和单稳态触发器脉冲产生与整形电路；2）电源电压范围宽（318V），能够提供与TTL及COMS数字电路兼容的逻辑电平；具有一定的输出功率，可以驱动微电机、指示灯和扬声器等。该器件有双极型和COMS型两类产品，双极型产品型号最后三位为555，COMS型产品最后四位为7555。它们的功能及外部引线排列完全一样。3）芯片的电路结构，它由三个电阻构成的分压器、两个比较器C1和C2、基本RS触发器、泄放三极管T1及推拉式结构的倒向放大器组成。内部结构电路如图28所示图28555定时器的内部结构图其原理为3个5K的电阻对电压进行分压使得，C1与C2的控制输入端电压固定在2/3VCC和1/3VCC，在通过RS触发器输出电压，进入与非门，如果RS输出为高电平测T截止，如果输出为低电平，测T导通。555定时器芯片外观如图29所示，其八个引脚的名称及作用如下图29555芯片外观图1脚芯片的地端；2脚芯片的触发输入端；3脚芯片的输出端；4脚芯片的复位端；5脚芯片的控制电压输入端；6脚芯片的阈值输入端；7脚芯片的放电端；8脚芯片的电源端555定时器芯片功能分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为2/3VCC，加在同相端；C2的参考电压为1/3VCC，加在反相端。RD是复位输入端。当RD0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端U0为低电平。正常工作时，RD1。U11和U12分别为6端和2端的输入电压。当U112/3VCC，U121/3VCC时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即RD0，RS1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端U0为低电平。当U111/3VCC时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。综上所述，可得555定时器功能如表23所示。表23555定时器功能输入输出阈值输入端TH触发输入端TR复位端RD输出端Q放电管T状态XX00导通2/3VCC1/3VCC10导通1/3VCC1保持不变保持不变2/3VCC1/3VCC11截止334湿度传感器的测量电路本设计将湿度传感器外围电路设计为图210所示。图210湿度传感器外围调理电路图电路的工作过程原理为12V直流电源经过直流稳压芯片7805将电压稳定在5V，由引脚3输出稳定的3V直流电压，以便于为后续电路供电，将555定时器的脚接8VCC接入5V的电压，使得555芯片稳定工作，电路中需将555定时器与HS1101电容式湿度传感器构成一个多谐振荡电路，它是一种产生矩形波的自激振荡器，他不需要外加触发信号；用555定时器构成多谐振荡器时，TH端和TR端的电平必须是变化的，否则，555定时器输出状态不会改变，利用HS1101电容式湿度传感器的充放电特性，就可以达到这一目的。根据555定时器输出高电平时，放电端DIS截止，输出为低电平，放电段DIS导通的特点，让555定时器输出高电平时电容充电，输出低电平时，电容放电。这样通过测量发出矩形波的频率来确定目前环境湿度为多少。如上图所示，当555定时器输出为高电平时，放电端DIS截止，电源VCC对电容充电，充电回路为VCC到R21到R20到SH1101地，充电时间常数为T1R20R21C。随着充电的进行，电容两端的电压按指数规律上升，当上升到VC2/3VCC时，555定时器输出变为低电平，放电端DIS导通。此时电容HS1101开始放电，放电回路为HS1101到R20到放电管T1到地，放电时间常数T2R20C忽略了T1管的导通电阻，随着放电的进行，电容两端的电压按指数规律下降，当VC下降到1/3VCC时，555定时器输出由变为高电平，电容两端的电压按指数规律下降，当VC下降到1/3VCC时，555定时器输出又变为高电平，放电端DIS截止，电容开始充电。如此循环下去。如图211及图212所示是用面包板手工搭建的振荡电路及使用MSO3000和DPO3000系列示波器所测波形，输出为幅度一定、周期一定的矩形脉冲波。图211面包板手工搭建555多谐振荡电路图212多谐波振荡器输出波形图需要补充说明的是DPO3000系列示波器的特点电源输入电压100V到240V10电源输入频率50/60HZ100V到240V、400HZ10115V第3章智能温湿度传感器中央处理器及其外围电路31单片机的选择311飞思卡尔单片机的应用现状目前世界上单片机的种类有上千万种，单片机的嵌入式应用也渗透到几乎所有的行业和领域。单片机的种类繁多，型号各异，可以从不同角度对其进行分类。由于中央处理单元式MCU或数字信号处理器（DSP），其性能，特别是字长，在很大程度上决定了MCU和DSP的性能。飞思卡尔原MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商，是全球领先的半导体公司，为汽车、消费、工业、网络和无线市场设计并制造嵌入式半导体产品。这家私营企业总部位于美国德克萨斯州奥斯汀，在全球30多个国家和地区拥有设计、研发、制造和销售机构。如今的飞思卡尔半导体已经成为全球最大的半导体公司之一，2007年的总销售额达到57亿美元。品种全、选择余地大、新产品多是其特点，在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，68HC05有三十多个系列，二百多个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有三十多个品种，年产量在1亿片以上。升级产品有68HC12。16位机68HC16也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。近年来，以POWERPC、COLDFIRE、MCORE等为CPU。将DSP做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首选牌品。飞思卡尔单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较INTEL类单片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强,更适合用于工控领域及恶劣的环境。飞思卡尔8位单片机过去的策略是以掩膜为主的，最近推出OTP计划以适应单片机发展新趋势，在32位机上，MCORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。8位微控制器、16位微控制器、32位微控制器与处理器、POWER