（微电子学与固体电子学专业论文）多功能传感器信号采集与数字化处理研究.pdf

摘要温度湿度在人们生活和工农业生产和运输过程中起着非常重要的作用，温湿度信息的获取主要依赖于温度湿度传感器，传统的温湿度传感器体积相对较大，成本较高，而且需要人工读取，满足不了现代传感器数字化、智能化、网络化的要求。娅m s 传感器是利用成熟的集成电路( i c ) c i 蛆0 s工艺结合m e m s 后处理工艺制作的，它的体积小、成本低、性能稳定、已成为国内外研究的热点。目前，实验室的m e m s 温湿度传感器制作工艺已经比较成熟，但是传感器输出的电压较微弱，而且易受外界因素( 如温度) 的影响，本文研究的重点就是在硬件和软件上克服这些弱点，并在传感器芯片后加上传感器的控制电路和微弱信号检测电路，以及数据处理、通讯、显示等模块，使之成为数字化、智能化、网络化的温湿度传感器微系统。本文所研究的温度传感器和湿度传感器都是通过对电阻阻值的检测来感应温度和湿度的变化，所以传感器的检测电路是以能精确测量电阻的惠斯通电桥配以电压放大电路。作为智能化传感器系统的核心微控制器( m c u ) 选用s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的c 8 0 5 1 f 3 5 0 ，它是一款增强型单片机，有8 个i o 作为专用的模拟信号输入口，片内a d 为2 4 位，集成s 姗u s 1 2 c ，8 k bf l a s h 存储器，能满足系统多功能，高精度，即时通讯，智能编程的需要。系统软件部分以嵌入式程序和算法为主。嵌入式程序主要为系统提供必备的功能，如m c u 的驱动、信号采样、通讯功能以及液晶显示等。而算法包括基于切比雪夫神经网络的非线性补偿算法和基于b p 神经网络的温度补偿算法。非线性补偿算法和温度补偿算法分别用神经网络的思想来解决由传感器变化的物理量( 电压) 到得出环境温度和湿度值的飞跃。人工神经网络在数据处理、函数逼近以及建立模型方面体现出越来越强大的功能，并已在传感器算法领域得到了检验，切比雪夫神经网络非线性补偿算法利用切比雪夫多项式最佳一致逼近的特点，建立一个单输入三层网络，通过样本的学习，能有效逼近实际传输特性曲线，减少非线性误差影响。b p 神经网络温度补偿算法则是建立一个双输入的三层网络，两个输入量分别是传感器输出电压以及干扰量温度值，通过样本的学习，完成对网络的训练，消除温度的影响，建立模型。微系统的封装采用特别设计的管壳，保护微系统的同时能保证传感器对外界温度湿度的有效感应，整个温湿度传感器系统封装后只留有四个接口分别连接电源和通讯所需要的时钟信号和数据信号。实验室对封装后的温湿度传感器微系统做了大量的测试工作，从测试结果来看，温湿度传感器系统性能表现良好，温度传感器在整个温度区间内分辨率都在i c 以内。湿度传感器的高湿与低湿部分的分辨率是5 r i - i 以内，而在2 0 r i t 6 0 r h 的湿度区间内，分辨率达到2 p d 以内，湿度传感器在稳定性测试中，1 2 小时测试时间内湿度输出稳定，温漂测试中，有效控制了温漂对湿度传感器的影响。在本文的最后对所做的工作进行了总结，并提出改进意见。关键词：m e m s 温湿度传感器，微弱信号采集，c 8 0 5 1 f 单片机，神经网络，非线性补偿与温度补偿算法a b s t r c th u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ei sv e r yi m p o r t a n ti np e o p l e sl i v e s ，a n da l s oi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n 。t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n f o r m a t i o n 越c e s si sm a i n l yd e p e n d e do nh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r es e n s o r t r a d i t i o n a lh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r es e n s o rh a v ep r o b l e m ss u c h 龋t h es i z ei sr e l a t i v e l yl a r g e r , t h ec o s ti sh i g h e ra n dt h ei n f o r m a t i o nc a no n l yb er e a da r t i f i c i a l l y t h e s ec a n ta c h i e v et h er e q u i r e m e n to fm o d e r nd i g i t a l i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k e ds e n s o r - m e m ss e n s o rw h i c hi sp r o d u c e db ys o p h i s t i c a t e di cc m o st e c h n o l o g ya n dm e m sp o s t - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a v es m a l l e rs i z e ，l o w e rc o s t , a n dm o r es t a b l ep e r f o r m a n c e n o wm e m ss e n s o rh a sb e c o m ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a n e hh o t s p o t 髓eo u t p u tv o l t a g eo fh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r es e n s o ri sv e r yw e a ka n ds u s c e p t i b l et ob ei n f l u e n c e db yt h ei m p a c to fe x t e r n a lf a c t o r s ( s u c ha st e m p e r a t u r e ) s od e t e c t i o nc i r c u i to fw e a ks i g n a l ，d i g i t a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l ew h i c hm a k et h em i c r os e n s o rs y s t e mm o r ei n t e l l i g e n ta l ea d d e db e h i n dt h es e n s o rc h i p 伯es o f t w a r es y s t e mo fh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r es e n s o rc o n s i s t so fe m b e d d e dp r o g r a ma n da l g o r i t h m e m b e d d e dp r o g r a mi st os u p p o nt h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es y s t e m ，s u c ha st h ed r i v eo ft h em c u ，s i g n a ls a m p l i n g , l e dd i s p l a y a l g o r i t h mr e f e r st on o n l i n e a rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mb a s e do nc h e b y s h e vn e u r a ln e t w o r ka n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h mb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k n o wn e u r a ln e t w o r ks h o w sm o r ea n dm o r ep o w e r f u lf e a t u r e si nd i g i t a lp r o c e s s i n g ，f u n c t i o na p p r o x i m a t i o na n dh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nt h ef i e l do fs e n s o ra l g o r i t h m n o n l i n e a rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sb a s e do nt h et h e o r yt h a tc h e b y s h e vp o l y n o m i a li sb e s tu n i f o r ma p p r o x i m a t i o np o l y n o m i a l ，a n dc a nb er e a l i z e db yn e u r a ln e t w o r k t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h mc a nb ea c h i e v e db ys e tu pt h r e e - t i e rn e u r a ln e t w o r ko ft w oi n p u tv e c t o r s ，o n ei st h eo u t p u tv o l t a g eo fh u m i d i t ys e n s o ra n dt h eo t h e ri st h ei n t e r f e r e n c ev a l u e ：t e m p e r a t u r e b yl e a r n i n gt h es a m p l e s , t h en e ti st r a i n e da n dt h em o d u l ei ss e tu pw i t h o u tt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c e t h ep a c k a g eo ft h em i c r os y s t e mi st ou s eas p e c i a ld e s i g n e ds h e l lw h i c hc a np r o t e c tt h es e n s o ra n da l s om a k et h es e n s o re a s ya c c e s st ot h eo u t s i d et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y w em a d em a n yt e s t sf o rt h ep a c k a g e ds y s t e m ，a n dt h er e s u l ts h o w s9 0 0 dp e r f o r m a n c eo ft h em i c r os y s t e m ：t r e s o l v i n gp o w e ro ft e m p e r a t u r es e n s o ri sl 弧l q 固o ；t h er e s o l v i n gp o w e ro fh u m i d i t ys e n s o ri nh i g h - h u m i d i t yz o n ea n dl o w - h u m i d i t yz o n ei s5 r h ；a n di nz o n e2 0 r h - - 6 0 r ha c h i e v e s2 r h ；a n di ns t a b i l i t yt e s t , t h eo u t p u to fh u m i d i t ys e n s o ri n1 2h o u r so ft e s tt i m ei ss t a b l e ；i nt e m p e r a t u r ed r i f tt e s t , t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ed r i f to nh u m i d i t ys e n s o ri se f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d k e y w o r d ：m e m sh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r es e n s o r , w e a ks i g n a la c q u i s i t i o n , c 8 0 51 en e u r a ln e t w o r k ，n o n l i n e a rc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m珏东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。研究生签名：皇2 垂导师签名：纽一半，7第一章绪论第一章绪论温湿度信息与人们生活与生产密切相关。人需要温湿度信息来加减衣物，保持身体健康；农作物需要合适的温湿度来保持生长；牧畜业也需要温湿度信息。作为工业化大生产的产物，物流业更是对温湿度的需求及其迫切。集装箱运输是当前最主要的货物运输方法。包括花草、石油、化学品、食品等众多的货物都是通过集装箱进行运输的，而在长期的运输过程中，这些货物需要合适的温度环境和湿度环境，否则货物会变质，失效，甚至引起爆炸等恶性事件。我国是全球罐式集装箱槽罐车的生产和运输大国。保证集装箱的安全是当前我国集装箱运输业急需解决的关键问题。在运输过程中对罐箱的状态的实时检测，是必不可少而且非常重要的环节。温湿度是反映运输环境的两个重要指标，集装箱在运输过程中的温湿的变化，反映运输状态的安全状态。传统的温度传感器和湿度传感器体积大，精度差，而且长期使用容易损坏。最大的缺点需要人工读取温度信息和湿度信息。在长期的运输过程中，需要人不断的进入集装箱内读取温湿度信息，这是不可想象的，一方面不能做到实时监控，另一方面在运输过程中人工读取也是不现实的。目前，我国集装箱应用的传感器系统大多是国外的产品，这些产品价格高昂，而且也让我国这样一个集装箱运输大国受制于人。所以研发自己的传感器系统，打破国外垄断，迫在眉睫。本课题属于国家8 6 3 项目“面向安全监测与跟踪的网络化微系统”中的一部分，研发数字化、网络化、智能化的温湿度传感器微系统。研究完成后为中国国际海运集装箱( 集团) 股份有限公司( c i m c ) 提供产品，以替代该公司现在使用的国外价格高昂的传感器系统。除了集装箱运输，在高速公路路况检测、化工生产、煤炭生产、食品生产、畜牧业、农林业等众多领域，温湿度传感器微系统有着广泛的应用，具有广阔的市场前景。1 1 课题的背景和意义湿度传感器作为湿度测量系统的重要组成部分，已经发展了很多年。由最初的毛发计和干球湿度计1 1 发展到能够输出电信号的l i c l1 2 电解质湿度传感器。发展过程中出现了以下几种类别：电解质湿度传感器、陶瓷湿度传感器【3 】【4 】、半导体结型及m o s 型m e m s 湿度传感器【5 1 。图1 1 毛发湿度计图1 1 所示的是毛发湿度计，它是利用毛发和某些合成纤维的长度随周围相对湿度的变化而变化的性质，通过合成纤维的变化带动传动装置使指针改变。东南大学硕学位论文图1 2 氯化锂湿度计图l2 所示的氯化锂湿度计表面涂有氯化锂橡层，氯化锂可咀吸收周围空气里的水汽使自身电阻变小，从而使两个电极之问的电流变大通过电流的变化测量湿度。图13 手持式数字温湿度计圉13 所示的手持式气象仪为s m a r t s e n s o r 公司的数字式温湿度计。它不仅可以测试湿度还集成有温度传感器，通过按键和液晶显示屏切换显示需要的气象信息。图14 s e n s i r i o ns h t i “s h t t x 温湿度传感器微系统图l4 为s e n s i r i o n 公司的s h t i “s h t 7 x 数字温湿度传感器，可以看到该传感器体积稂小，整个温湿度传感器系统只有差不多两根火柴那么大，但是在这么小的体积内集成了温湿度传感器芯片，以及信号处理电路，数字化处理模块，通讯模块，不仅可以测量相对湿度和温度，还可以通过总线将测量值实时的发送出去，使得温湿度信息可以在远方读取。图1 4 中传感器系统与外界的联系通过四根引脚，引脚分别接电源地和二线制的通讯总线。这种智能化的传感器微系统代表了传感器发展的方向和传感器领域的高水平。通过传感器发展的历程可以看到，传感器正向着微型化，智能化，网络化，数字化的方向发展，本论文的目的也是研制一种智能化网络化的温湿度传感器微系统。智能侍感器( i n t e l l i g e n ts e n s o r ) 是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具。，垦辫第一章绪论有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力：功能多样化。概括而言，智能传感器的主要功能是：( 1 ) 具有自校零、自标定、自校正功能：( 2 ) 具有自动补偿功能；( 3 ) 能够自动采集数据，并对数据进行预处理；( 4 ) 能够自动进行检验、自选量程、白寻故障；( 5 ) 具有数据存储、记忆与信息处理功能；( 6 ) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；( 7 ) 具有判断、决策处理功能。本实验室研究的是基于m e m s 技术制造的湿度传感器芯片。m e m s 湿度传感器是利用先进的m e m s 技术制造的。m e m s ( 微电子机械系统) 是在集成电路工艺的基础上发展起来多学科交叉的新型学科，涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料学等多种工程技术和学科。由于微系统的尺寸在毫米到微米范围，因此具有体积小，集成度高，质量轻，耗能低，可靠性高，成本低，可批量生产等优点。采用硅基制造的m e m s 湿度传感器也已经存在了十几年。这其中又可以分为以下几种：( 1 ) 压阻型湿度传感器，( 2 ) 电容型湿度传感器睁引，( 3 ) 电阻型湿度传感器【9 - 1 1 1 ，( 4 ) 谐振式湿度传感器【1 2 1 ，( 5 ) 基于热传导的湿度传感器i l 引，目前主要以电阻和电容型为主。本文所用的传感器芯片的是用涂有聚酰亚胺的双层膜结构在吸湿条件下会产生弯曲的原理结合压阻效应设计的一种压阻型的微湿度传感器。1 2 本论文的主要工作本论文的主要工作包括以下几个方面：1 硬件系统研制，包括信号采集电路与微处理器设计，p c b 布线制板，器件焊接，硬件系统调试，简易人机界面，系统封装等。2 系统智能化研究，包括自动采集数据，并对数据进行预处理，数据存储、记忆与信息处理功能，双向通讯、标准化数字输出功能，判断、决策处理功能，湿度传感器传输曲线拟合与温度补偿功能；3 整机功能测试，温漂数据，稳定性能，回执特性测试等测试工作。1 3 论文纲要本论文的纲要大概如下。第一章主要介绍课题的背景和论文的主要内容。第二章m e m s 温度传感器与压阻式湿度传感器的结构和工作原理。第三章温湿度传感器微系统硬件部分。第四章主要介绍非线性补偿算法与温度补偿算法。第五章温湿度传感器微系统信号采集与数字化处理的嵌入式程序，第六章是系统的各项测试结果，以及对结果的分析。3东南大学碗学位论文第二章温湿度传感器工作原理与芯片结构2 1m e m s 温度传感器温度是表征物体冷热程度的物理量是工农业生产过程中一个根重要而普遍的测量参数。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。通过研究发现，金属铂( p t ) 的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，因此可以采用和风速风向传感器相同的陶瓷村底上的铂电阻作为温度传感器。目前市场上已经有不少铂电阻温度传感箍，如图21 所示的h o n e y w e l l 的h e l 一7 7 5 薄膜铂电阻温度传感器，与其他商用传感器相比，铂电阻温度传感器具有一系列优点：电阻阻值互换、准确、线性、快速、激光修正、陶瓷基底、长期稳定性可以广泛应用在h v a c ( 供热、通风和空调系统) 、电子装配、工艺过程控制、电器设备、汽车、仪表。图21h e l7 7 5 铂电阻温度传感器根据国家8 6 3 项目要求，温度系统设计耍满足下列指标表2 - 1 温度系统的设计指标工作电压损4 量范围4 0 1 2 0 准确度02 数字输出1 0 位二进制反应时间7 5 0 m s本实验窒采用的温度传感器芯片结构如图2 2 所示。温度传感器芯片可以单独设计，但是本实验室另有热风速传感器，热风速传感器上集成4 温铂电阻而且铂电阻的各项指标完全符合温度传感器芯片的要求，完全可以代替温度传感器，所耻在温湿度传感器微系统中采用的芯片结构如图22 所示，图中细线条代表铂电阻条取其中一条铂电阻，即可用做温度传感器的测温电阻。纛豁杰第二章温湿度传感器工作原理与芯片结构图2 2 实验室铂电阻温度传感器结构2 2 湿度表示方法和性能要求在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。传统的通过干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素( 大气压强、温度) 的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。但是，我们可以利用c m o s m e m s 结合的技术来整体设计传感器和电路。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2 2 1 湿度表示法空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。湿度表示方法很多，主要有质量百分比和体积百分比，相对湿度和绝对湿度，露点( 霜点) 等表示方法 2 1 。2 2 1 1 质量百分l ：l 禾n 体积百分比质量为m 的混合气体中，若含有水蒸气的质量为m ，则质量百分比为m m x1 0 0 体积为v 的混合气体中，若含有水蒸气的体积为v ，则体积百分比为v v x1 0 0 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。2 2 1 2 相对湿度和绝对湿度( 2 1 )( 2 2 )水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气压( e ) ；而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值( e 。) 。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度，其表示式为r h ：旦1 0 0 p 掌5( 2 3 )东南大学硕士学位论文相对湿度一般用r h 表示。在实际生活中，许多与湿度有关的现象，如水分子蒸发的快慢，人体的自我感觉空气的干湿程度，都是与空气中水蒸气压和同温度下水的饱和蒸气压之间的差值有关。因此，在湿度传感器中，常常使用相对湿度。绝对湿度表示单位体积内，空气中所含水蒸气的质量，其定义为；p ，= 罟( g m 3 )( 2 4 )y式中m 待测空气中水蒸气质量；v 待测空气的总体积：p v 待测空气的绝对湿度。2 2 1 3 露点霜点法水的饱和蒸气压是随着环境温度的降低而逐渐下降的。由此可见，在同样的空气水蒸气压下，空气的温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸汽压差值就越小。当空气的温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压将与同温度下水的饱和水蒸气压相等，此时空气中的水蒸气将向液相转换而凝结为露珠，此时，相对湿度为1 0 0 r h ，这一特定的温度，人们称之为空气的露点温度简称露点。如果这一特定温度低于0 c 时，水蒸气将结霜，因此，又可称为霜点温度，通常两者不予区分，统称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可以用露点表示空气中的湿度大小。2 3 湿度传感器性能要求2 3 1 湿度量程保证一个湿敏元件能够正常工作所允许环境相对湿度变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件的使用范围应当是0 1 0 0 r h 的全量程，该项目要求湿度测试范围为1 0 , - 一9 0 r h 。2 3 1 1 相对湿度特性曲线每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。湿敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的相对湿度特征曲线，简称感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线各处斜率相等，即特性曲线呈直线。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低：这些都将会给测量带来困难。2 3 1 2 灵敏度湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当反映相对于环境湿度的变化，元件感湿特征量的变化程度。因此，它应当是湿敏元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当可行的。然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的，在不同的相对湿度范围内的曲线具有不同的斜率。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。6第二章温湿度传感器工作原理与芯片结构2 3 1 3 湿度温度系数湿敏元件的温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数，在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不同的，它直接给测量带来误差。湿敏元件的湿度温度系数定义为：在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。日一d ( 胛r h ) 。i 。常数( 2 5 )式中：t 一绝对温度k 一元件特征量日一湿度温度系数，其单位为r h 。c由湿敏元件的湿度温度系数a 的值，即可得知湿敏元件由于环境温度的变化所引起的，测量误差。例如，湿敏元件的0 = o 3 r h c 时，如果环境的温度变化2 0 ，那么就将引起超过6 p d - i 的测量误差。2 3 1 4 响应时间响应时间反映湿敏元件在相对湿度交化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定起始湿度达到终止湿度稳定时间的9 0 所需的时间。在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。般希望响应时间快一些为好，该系统期望反应时间2 s 。2 3 1 5 滞回特性各种湿敏元件吸湿和脱湿的特性曲线也不同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称之为滞回现象。滞回现象可以用滞回特性曲线所构成的回线来表示，我们称之为滞回曲线。在滞回曲线上所表示的最大量差值为滞回差，一般希望滞回差越小越好。根据8 6 3 项目要求，下表为湿度传感器的设计指标：表2 - 2 湿度系统的设计指标参数技术指标工作电压5 v测量范围1 0 9 0 r h分辨率2 r h数字输出1 0 位二进制反应时间2 s系统功耗 - 嚷k = l ；l为网络性能指标3 0( 4 1 0 )第四章温度补偿与非线性补偿算法形j p + 1 ) = ，七( ，) + e j e c t( 4 1 1 )为第，项权值调整公式，其中，7 为学习率，且0 r 循环中的。这样保证了温湿度传感器微系统不断获得最新的环境温度信息和湿度信息。模拟电压通道是由a d c o m u x 寄存器选择的，在温湿度值计算子程序的编写过程中，除了a d c o m u x 寄存器，还要对a d c 所涉及的其他寄存器进行设置。第五章温湿度传感器微系统嵌入式程序设计a d c 的电压基准由寄存器a d c o c f 中的a d c o v r e f 选择。当a d c o v r e f 位被置l 时，a d c使用外部电压基准源，此时电压可高达电源电压3 3 v ，在我们的微系统中就是用这种工作方式。当a d c o v r e f 位被清 0 时，a d c 使用内部基准，内部电压基准电路包含一个1 2 5 v 、温度性能稳定的带隙电压基准发生器和一个两倍增益的输出缓冲放大器，产生2 5 v 的电压基准。a d c 滤波器的抽取比由寄存器a d c o d e c h 和a d c o d e c l 中的d e c i 1 0 ：0 位选择。抽取比等于1 +d e c i 1 0 ：0 。抽取比决定用多少个调制器采样值来生成一个输出字。a d c 输出字的速率等于调制器采样速率除以抽取比。较高的抽取比会产生具有较低噪声的结果，但需要较长的转换周期。最小的抽取比为2 0 。当使用快速滤波器输出时，抽取比必须被设置为8 的整数倍。在我们的微系统中，使用快速滤波器输出，抽取比设置为8 。在第三章，提到了对单片机a d 的校准，校准以后也要将校准值写入a d c 校准寄存器中。在寄存器设置完成后，接下来对模拟电压采样，以将模拟信号转化成数字化的电压值。下面的语句是采样程序的关键语句：w h i l e ( a d o i n t = = o ) ；a d o i n t = 0 ；r e s u l t l = a d c o h ；r e s u l t l = r e s u l t l 8 ；r e s u l t li = a d c o m ；r e s u l t l - - r e s u l t l 瓣篓收到主规发来的起始条髂和遗址c a g es m b接收到主机发来的数据srdb：c a s es m bs r s t o ： ) 接收到主机发送的停止条件e 8 s es m bs t d b ： ，数据已发送d e f a u l t ： )温湿度传感器徽系统通讯的主要銎的是根据主撬发送豹命令，将滠度僮或者滋度僮发送绘主橇。一次成功的调用命令接收与温湿度值上传过程，中断状态以及微系统对中断的响应是有顺序的，从机中断响应的顺序如图5 1 2 所示。中断发生时状态 煮銎微系统对中断的响应与本身地址对照如相同，发送a c k 确认接收到主视的数据对数据解析，如是温湿度调用，则将湿湿度发送接毅戮主梳静a c k ，已确认从机上传的数据发送下一个数据圈5 。1 2成功豹温澎度潺鼹蓬程麸机噙应顺序接收蒯主视鳇停此条件停止传输，退出s m b u s 通讯在温湿度传感器微系统的通讯系统中除了完成温湿度调用，还附加了一些其他的功能，如对通讯过程中爨现的异常进幸亍晦壅，以及透避s 潞璐总线通讯，对徽系统露部参数进行修正。温湿度传感器微系统如经过长期使用产生性能下降的情况，可以对微系统重新标定测试，获取最新的传感器参数，并通过s m b u s 总线通讯，将新参数输入传感器替代旧参数，使传感器保持性能，避免老纯情况。完整的s m b u s 通讯系统流程如图5 1 3 所示。4 3东南大学硕士学位论文5 5 人机界面子程序图5 1 3s m b u s 系统通讯流程图5 5 1 0 c m j 2 4 c 液晶串口通讯时序本文设计的系统中，o c m j 2 4 c 液晶模块采用两线制串口通讯模式。o c m j 2 4 c 串口通讯时序如图5 1 4 所示。图5 1 4 中，c s 为液晶模块片选信号，s c l k 为微控制器驱动的串行时钟信号，s t d 为串行数据信号【5 1 。在通讯开始前，系统微控制器首先要将片选信号c s 置位高电平，以使能液晶模块。串行通讯以起始字节开始。起始字节前端是连续5 位高电平( “1 1 1 l l ”) ，在此期间，o c m j 2 4 c 的传输计数将被重置同时串行传输将被同步。随后的两位分别是传输方向位( r w ) 及寄存器选择位( r s ) 。传输方向位用于区分读写操作，该位高电平表示执行“读”操作，低电平表示执行“写”操作。寄存器选择位用于区分数据数据类型，该位高电平表示此次通讯为显示数据传输，低电平表示此次通讯为指令传输，起始字节以最后一位低电平结束。第五章温湿度传感器微系统嵌入式程序设计起始字节之后为数据字节，跌图3 1 5 可| 臣看磁，对予一个字节( 8 位) 的数据，需要分两个字节进行传输。第一个数据字节前4 位为数据的高4 位，后4 位为连续4 位低电平( 0 0 0 0 ”) 。第二个数据字节前4 位为数据的低4 位，后4 俄同样为连续4 位低电平( 0 0 0 0 ”) 。在整个通讯过程中，片选信号镐须始终傺持骞电平。e ss c l ks t i )一f i 了= = = = i = 一一几门几匪nnr 门nnnnr 门几一目门，门门门门n 门一圈5 1 4o c m j 2 4 c 液晶串躁透讯时彦图袋5 - 3 给出了一些o c m j 2 4 c 常用的读写指令，完整的指令集可参看相关参考资料。表5 3o c m j 2 x 4 c 常用指令集指令指令码功能r s洲d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld 0清除将d d r a m 填满锹”，糊显示ooo00ooool定d d r a m 的呦酬蝴器魄c )举旷o o h ”设定d 溶酝的地蛙计数蒜地址oooooo0o1x( a c ) 至犷b o h ”，并目牢皆汤钧示移至l归位开头原点位鬣：这令指令不改瘦d d r a m 豹内容进入点指定在数据的读取与写入时，设定oo0o0ooli ds设定游标的移动方向及指定显示的移位游标或设定游标的移动与避示的移盟示移ooooo1s cr lxx位控制位：这个指令不改变位控制d d r a m 的内容设定设定d d r a m 地址( 显示位d d r a m00+ 10a c 5 a c 4 a c 3a c 2a c la c o址)地址第一行：8 0 h 一8 7 h第一行：9 疆一9 7 疆写数据1o数据将数据d 7 , - 一d 0 写入到内部到r a m的r a m读出ll数据从内部r a m 读取数据d 7 r a m 的d o值o c m j 2x 4 c 液晶模块的每个显示区域都有对应的地址，在进行文字或字符的显示时，应首先写入显示区域的地址，然后再写入显示的内容，同时还可通过相关指令设置显示地址随显示数据输入友移或右移。4 5东南大学硕士学位论文5 5 2 液晶显示子程序设计由于本文设计的系统中液晶模块采用串口通讯模式工作，数据传输速度有一定限制，在每个测量周期对液晶显示进行全屏刷新会产生响应延迟。为了避免数据显示的延迟，系统主程序中将测量模式显示和测量数据显示分开，在每个测量循环中仅对测量数据进行刷新，而测量模式的刷新只在模式切换时刷新。为了满足系统温湿度两种信息的显示要求，液晶显示子程序也分为两个部分，即测量模式显示程序和测量数据显示程序。程序流程图如图5 1 5 所示。测量模式判断测量模式映射至模式显示数组o c m j 2 4 c 初始化清屏设置显示起始坐标 测量模式显示测量模式判断t测量数据按位映射至数据显示数组f 设置显示起始坐标l 测量数据显示( a ) 测量模式显示程序( b ) 测量数据显示程序图5 1 5 液晶显示子程序流程图图5 1 5 ( a ) 为测量模式显示程序流程图。测量模式显示程序用于显示当前测量的温度参数或者湿度参数的中文名称以及被测参数的单位。在系统测量模式发生改变时，系统全局变量“m o d e c h a n g e ，将被置“l ”，刷新测量模式显示将被刷新。在执行测量模式显示刷新时，首先需要查询系统全局变量“m o d e ”判断当前为何种测量模式，然后将测量模式映射至模式显示数组选取相应的显示内容。模式显示数组是一个字符串数组，存放了各测量参数的中文名称以及单位。之后程序将执行液晶模块初始化，并执行清屏操作。清屏之后，程序将令设定显示起始坐标，并将需要显示的内容显示在液晶屏幕上。图5 1 5 ( b ) 为测量模式显示程序流程图。测量数据显示程序用于显示最新得到的温度或者湿度数据，在系统的每个测量循环都要进行数据显示刷新。程序在收到需要显示的数据后，首先也将查询当前的测量模式。因为收到的测量数据均为带多位小数的浮点形式，而不同的参数测量对最后显示输出数据的精度要求不同，所以程序在将按十进制位映射到数据显示数组时需要根据不同的精度要求选择是否保留小数。数据显示数组是一个字符型数组，其内部存放了数字字符“o ”“9 ”以及小数点。在测量数据映射完成后，程序将设置显示起始坐标，随后将测量数据显示出来。由于测量数据的显示位置固定，所以在显示刷新将覆盖之前的显示数据，而不必进行清屏操作。o c m j 2 x 4 c 液晶显示模块的显示区域分为两行，其中第一行用于显示测量参数的中文名称及测量数据的单位，第二行用于显示测量数据。图5 1 6 是系统处于温度测量模式时的液晶模块显示效果4 6第五章温湿度传瞎微系统嵌 式程序世计图51 6 液晶模块显示效果图553 系统按键响应程序设计温湿度传感嚣搬系统使用的液晶一次只能显示一个参数值，为了满足在温度和湿度两个参散之间进行切换的需要。设计了按键响应程序。系统的按键响应程序为中断服务程序。当系统娃于工作状态时，有按键被按下后t 按键响应电路将产生按键中断，系统程序将中断主程序的执行转而执行按键中断服务程序。系统转入按键响应程序后，根据按键的不同，将当前的显示参数切换到温度或者将当前的显示参数切换到湿度。在c x 5 l 语言编程中，中断服务程序要在程序名后附加关键字“i n t e r r u p t 以示区别，n 为中断优先级。本文设计的系统中，按键中断采用的中断源为“外部事件中断0 ”，其中断优先级为0 。5 6 本章小结本章舟绍了温湿度传感器微系统的嵌 式软件部分，实现了温湿度计算通讯，人机界面等功能，软件是智能化传感器非常重要的一部分硬件的设计是比较固定的，所以软件的好坏很大程度e 就会决定传感器的性能和功能，温湿度传感器微系统在大量的测试过程中，软件部分显示出了很好的稳定性，而且通过人机界面等功能可以使传感器测试和使用带来很大的方便。东南大学硕士学位论文第六章温湿度传感器微系统测试结果及分析温湿度传感器微系统在实验室内部测试对，是使用德国富奇( v o t s h ) 溢湿度箱产生标准的温度和湿度，温湿度传感器微系统被放入温湿度箱中，通过s m b u s 通讯所需的两根导线与外界主机连接，测试人员通过主视发送调用温度或者调用湿度命令采集传感器测算的温度和湿度值。6 1 温度传感器测试结果除了实验室内部测试，温湿度传感器微系统在省计量科学研究院做过第三方测试，在计量科学研究院出具的校准诞书中记录了当对测试的数据。校准证书记录温度测试数据如表6 1 所示：表6 1 温度测试数攥i 环境温度( )1 02 03 04 05 06 07 08 09 0l 系统测算澄度( )1 0 o2 0 42 9 ，83 9 。74 9 25 9 26 9 。48 0 o9 0 6为了分析方便，本论文把表6 - l 的数据在坐标系中显示融来，如图6 1 所示：、p嫠建兰簿螺聪蓉环境温度( )图6 。l 瀛度测试数据从图6 1 可以看到，在1 0 ( 2 - 9 0 c 的测温范围内，温湿度传感器微系统的温度输出具有很好的线性度和缎高的精度，误差被控制在1 以内。遮一方面说明铂电阻芯片温度传感器的性能优越，另一方面也说骥信号采集与数字化处理的硬件系统和软件系统很好的宠成了工佟，在各个环节土有效的控制了误差的产生。在整个测试过程中，温度值的获取都是主机通过s m b u s 总线对温湿度传感器微系统的调用完成的，调爝的过程颁畅，软件系统运行稳定。6 2 湿度传感器测试结果在校猴证书上同样记录了湿度测试的结果，测试时的温度环境为2 0 c ，测试数据如表6 - 2 所示：第六章温湿度传感器微系统测试结果及分析表6 - 2 湿度测试数据环境湿度( r h )1 02 03 04 05 06 07 08 09 0系统测算湿度( r h )1 42 1 63 1 13 9 35 l6 16 5 57 6 88 6 5把表6 2 在坐标系中表示出来，如图6 2 所示。工叱零、- ，型溺兰j察螺嫌器环境湿度( r h )图6 2 湿度测试数据湿度测量要求的精确度不像温度测量那么高，项目要求分辨率在2 r h 以内。在表6 2 中可以看到，温湿度传感器微系统的湿度输出在测试点1 0 r h 误差为4 r h ，随后随着湿度的上升，精度稳步提高，测试点2 0 r h 的误差为1 6 r h ，测试点3 0 r h 误差为1 i r h ，测试点4 0 r h 误差为0 7 r h ，在4 0 r h 6 0 r h 的区间内，精度稳定在i r h 以内，在到达7 0 r h 时精度开始下降，在7 0 r h 9 0 r h 的测试点误差分别为4 5 r h ，3 2 r h ，3 5 r h l l 】在图6 2 可以看到，湿度输出的线性度在高湿区7 0 r h 9 0 r h 较差，这个区间外线性度较好。对高湿区和低湿点1 0 r h 出现的温湿度传感器微系统湿度输出精确度相对较低现象，分析原因可能为：1