（电路与系统专业论文）基于internet集成一体化干湿球温湿度传感器的研究.pdf

摘要 传感器技术在科技发展的今天仍然占有很重要的地位，而智能传感器技术的发展更推动了社 会的进步，尤其是温湿度传感器更是对j = 农业生产有着重要的意义，因此智能传感器成为当前研 究的热点。 温湿度传感器发展的历史很悠久，同时也出现了很多新型温湿度传感器，测量温湿度方法也 有好多种，而干湿球法是应用最广泛的一种方法，它是一种间接的测量方法，其测量的准确性还 是被世界所公认，其优点在于此方法是通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对 使用温度没有严格限制，在环境温度较高时下测湿不会对传感器造成损坏。本文重点在干湿球理 论的基础上，设计了数据采集系统硬件电路，并且为了保证温湿度测量精度，对硬件电路进行了 误差分析。温度传感器采用了精确度较高的铂电阻p t l 0 0 ，在对铂电阻非线性特性分析后，采用 软件方法对其进行了误差校正，使得温度精确度达到设计要求。针对干湿球方法中主要误差来源， 与传统的湿度壳算表相比，本文设计了大气压强采集模块，使得湿度计算更加精确。此外， 还设计了直流风扇控制模块、风速采集模块，使得风速恒定，保证了湿度测量的准确性，并且采 片； m a t l a b 中的s m i l i n k 工具箱对风扇进行了模糊p i d 控制的仿真，与传统p i d 控制相比有很 好的控制效果。 与i n t e m e t 技术相融合，使传感器在现场级就实现t c p i p 网络协议功能，本文设计了嵌入 式网络处理单元，使温湿度传感器能在i n t e m e t 达到信息共享与发布的功能 通过本文设计与分析，使得传统的传感器更加智能化，对于干湿球原理的温湿度测量研究有 着深远的意义。 关键词：干湿球、嵌入式网络、模糊p i d 控制、t c p i p n a b s t r a c t t o d a y ，t h es e n s o rt e c h n o l o g yi ss t i l lo c c u p i e dv e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni ns c i e n c ef i e l d , a n dt h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n c es e n s o rt e c h n o l o g yi sp l a y i n gap o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gs o c i a lp r o g r e s s ， e s p e c i a l l yt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o ri ss i g n i f i c a n tt ot h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e t h e r e f o r e ，i n t e l l i g e n c es e n s o rt e c h n o l o g yi saw o r t h ys u b j e c to fr e s e a r c h t h ed e v e l o p m e n to ft h et e m p e r a t u r eh u m i d i t ys e n s o rh a sal o n gh i s t o r y , a n dm a n yn e wm o d e l sa r e i n v e n t e da tt h es a m et i m e t h e r ea r es e v e r a lw a y sf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , b u tt h e m e t h o do fw e ta n dd r yb u l bi sau n i v e r s a lm e t h o d i ti sa l li n d i r e c tw a y , a n dt h ea c c u r a c yo fm e a s u r i n g i sw i d e l ya c c e p t e di nt h ew o r l d i t sa d v a n t a g ei st h r o u g hm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r eo fw e tb u l ba n dd r y b u l b ，t h e ng e tt h ev a l u eb yc a l c u l a t i n g s ot h e r ei sn os t r i c tl i m i to nt e m p e r a t u r e ，a l t h o u g hy o um e a s u r e i tu n d e rh i g h e rt e m p e r a t u r es u r r o u n d i n g s ，t h e r ei sn od a m a g et ot h es e n s o r t h i sp a p e rb a s e so nt h e t h e o r yo fw e ta n dd r yb u l b ，a n dd e s i g n st h ec i r c u i to ft h es y s t e mo ft h ed a t ac o l l e c t i n gh a r d w a r e i n o r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fm e a s u r i n g , t h i sp a p e ra l s od o e st h ee r r o ra n a l y s i so ft h eh a r d w a r e t h e t e m p e r a t u r es e n s o ra d o p t sp l a t i n u mr e s i s t a n c ep t l 0 0o fh i g h e ra c c u r a c y , a f t e ra n a l y z i n gt h en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s , u s i l l gt h es o f t w a r em e t h o dt oc o r r e c ti t , s ot h ep r e c i s i o no ft e m p e r a t u r er e a c ht h e d e m a n do f d e s i g n i n g t oa i ma tt h em a i ns o u l g eo fe r r o ro f t h ew e ta n dd r yb u l bm e t h o da n dt oc o m p a r e w i t ht h et r a d i t i o n a l “h u m i d i t yc o u n t i n gt a b l e 9 9t h ep a p e rd e s i g n sa t m o s p h e d cp r e s s u r ea c q u i s i t i o n m o d u l e ，a n de n s u r et h eh u m i d i t yc a l c u l a t i n gm o r ea c c u r a t e b e s i d e s ，t h i sp a p e ra l s od e s i g n sd cf a n c o n t r o lm o d u l ea n dw i n da c q u i s i t i o nm o d u l e ，t om a k et h ew i n ds p e e di sc o n s t a n ta n dt oe n s u r et h e c a l c u l a t i n gi sa c c u r a t e a n du s et h es i m u l i n kt o o l b o xt od ot h ef u z z yp i dc o n u o ls i m u l a t i o nw i t hd c m o t o rf a ni nm a t l a be n v i r o n m e n t , a n di th a sav e r yg o o dc o n t r o l l i n ge f f e c tb yc o m p a r i n gw i t h t r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 b l e n d i n gw i t ht h ei n t e r a c tt e c h n o l o g y , t h es e n s o rr e a l i z e st h et c p i pp r o t o c o lf u n c t i o nf i g h ta w a y t h i sp a p e rd e s i g n st h ee m b e d d e dn e t w o r kp r o c e s s i n gu n i tw h i c hm a k e st h es e n s o rh a st h ef u n c t i o no f s h a r i n ga n dp u b l i s h i n go nt h ei n t e r a c t t h r o u g ht h ed e s i g na n da n a l y z eo f t h i sp a p e r , t h et r a d i t i o n a ls e n s o rb e c o m em o r ei n t e l l i g e n t , a n di t h a sa d e e pm e a n i n gf o rt h es t u d yo ft h et e m p e r a t u r eh u m i d i t ym e a s u r e m e n tw h i c hb a s e so nw e ta n dd r y b u l bt h e o r y k e y w o r d s ：w e ta n dd r yb u l b , e m b e d d c di n t e r a c t , f u z z yp i dc o n t r o l ，t c p i p 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得宁夏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：盏晶 时间： 2 明年箩月砧日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 童品 时间： 声卯彦年岁月2 6r 聊躲幸阳杠 时帆伽彳钊1 了a r 宁夏人学顶i j 学化伦史 第一章绪论 第一章绪论 1 1 温湿度传感器国内外发展状况 1 1 1 湿度传感器国内外发展状况 随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需 要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值 的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。从原始的毛发湿度计、干湿球传感器到湿敏电 容传感器，湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的 难题之一，一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理一化学理论分析和计算。 常见的湿度测量方法有：动态法( 双压法、双温法、分流法) ，静态法( 饱和盐水法、硫酸 法) ，露点法，干湿球法和电子式传感器法。 而干湿球测量方法早在1 7 5 0 年就被r i c h m a n 发现，并且由于其理论原冈被人们称之为通风干 湿表。1 7 9 9 年l e s s l i e 利用干湿法制造了一种湿度计，1 8 0 2 年。b o e c h m a n 制造了以他名字命名 的干湿球温度计，其后这种温度计得到进一步改进，无论在结构或准确度方面均已进入实用阶段。 1 9 世纪初，人们开始对湿球理论进行深入研究，并且到十九世纪末在理论和实践方面仍有许多问 题有待于解决【l l i ”。 到了本世纪二十年代到三十年代a p j o h n 和a u s u s t 基于对流理论建立了干湿方程。w y l i e 对 干湿表理论进行深入研究并取得进展。干湿表的发展集中在两个方面，一是温度测量方面的研究， 人们尝试了许多测温方法以提高测量精度。另外一个研究主要集中在干湿球系数a 的理论值和真 实值统一起来的方法【l j 。正因为干湿球的方法具有坚实的理论基础，尽管还不是完美无缺，然而 这种测湿方法却占有一席之地，可见这并不是偶然。 我国在上世纪，按照世界气象组织的要求，利用人j r 通风的办法以提高台站测量精度的建议， 根据我国情况测定了干湿表系数，并且制定了湿度查算表，选取w m o 推荐的精度较高和较新的 公式和物理常数编制而成，在此之后出现了基于各种软件的湿度查表算法以及各种数学算法，并 且研制出了基丁干湿球原理的数字传感器，通风干湿球传感器等，这些进步给湿度测量带来了方 便。 当今在有关湿度测量方面的研究中，关于湿度标准，发生器、湿度检定箱和不确定度方面的 的研究i 哼了近一半的数量，足见人们对湿度标准的投入之人。典型的代表是美国n i s t 湿度基、标 准器的更新换代，另外一些发展中国家，如墨西哥、马来两弧、南非等国家湿度标准的建立。新 型的湿度测昔计更是有所发展，诸如：美国的t h u n d e rs c i e n t i f i c 汞l t i g e r ( 利用激光原理测量低霜点湿 度) 、瑞十的r o t r o n i c 、芬兰的v a i s a l a 等，新型的辐射频率谐振湿度计等，可见湿度测量技术水 平在不断的提高与进步。 近年来，国内外湿度传感器有了较大的发展，国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品， 电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。这些新兴 材料促进了湿度测量的大力发展。目前国外出现的产品有h u m i r e l 公司的( h l h 0 6 0 2 等) h u m i r e l 公司的( h m l 5 0 0 等) ，s e n s i r o n 公司的( s h t l l 、s h t l 5 裂) 。这些产品中分为三种类趔，线 宁夏人学硕f j 学位伦文第一章绪论 性电压输出式湿度传感器、线性频率输出集成湿度传感器、以及频率! i 盛度输出式集成湿度传感器。 1 1 2 温度传感器国内外发展状况 温度是一个重要的物理量，其检测方法有多种，常用的有电阻式、热电偶式、p n 结犁及石英 谐振型等，它们都是基于温度变化引起其物理参数( 如电阻值，热电势等) 的变化的原理。随着测 量技术的不断发展，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了具有实用性的重大进展。 新一代温度检测元件正在不断的出现和完善，下面予以介绍。 1 ) 热电偶温度传感器。热电偶的测温范围宽，而且已经由j i s 标准化，测量可靠性更高，因 此在工业传感器中占有重要地位。 另外，热电偶与其他的温度传感器不同，它本身具有能够产生电压( 热电动势) 的特性，所 以传感器不需要驱动电源，这是热电偶的一大优点，并且它具有结构简单，容易制造，使用方便 和测量精度高等优点。因此热电偶温度传感器在温度测量中得到广泛的应用。从1 9 2 7 年国际温标 到1 9 6 8 年国际实用温标，都规定以铂佬l 卜铂热电偶作为6 3 0 7 4o 、1 0 6 4 4 30 1 2 温度范围内的 标准仪器。热电偶的体积小，可以用丁快速测量、点温度测量和表面温度测量等。热电偶的主要 缺点是它的输出信号和温度示值间呈非线性关系，在下限的灵敏度较低【1 9 1 。 2 ) 电阻温度传感器。这种传感器以电阻作为温度敏感元件。根据敏感材料不同又可分成热电 阻式和热敏电阻式。热电阻式般用金属材料制成，如铂、铜、镍等，热敏电阻是以半导体材料 制成的陶瓷器件，如锰、镍、钻等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。由于铂电阻 测温范围宽，线性度好，精度高，制作误差小，结构简单并且己有统一的国际标准，因此，铂电 阻温度传感器已广泛应用于许多场合的温度测量与控制，其测量精度可达到0 0 0 1o i l 引。 3 ) 石英谐振型温度传感器。它采用l c 或y 型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来 制作的。它采用特殊技术能够自动补偿f i 英晶片的非线性，所以测量精度很高，一般可以检测0 0 0 1 0 ，可作标准检测使用。 铂电阻是用高纯度铂丝制作的温度传感器，铂电阻不像热敏电阻那样具有强烈的非线性，它 的线性度非常好，因此常被高精度测量系统中应用。例如：美国国家实验室州i s t ) 采用标准铂电 阻温度传感器对纳米测试装置的1 ：作腔进行测试，其测试精度为o o o l0 。国内方面，清华大学 以石英晶体传感器作为测温元件，将温度变化的模拟颦转化为石英晶体振荡频率的数字量，通过 测量频率可以计算出温度值，它可以测出0 o o l 0 的温度变化量。由于其一系列的优势，本系统 采取铂电阻来测量温度。 1 2 智能传感器国内外发展状况 传感器是人类探索自然认识自然的有力j r 具，它把非电量的信息转换成了电量信息，使人们 对数据的采集更加的容易与便捷。随着智能技术与计算机技术的发展，传感器技术更进一步提高 了许多，温湿度采集方式更是进一步发展。最早的温湿度采集系统是建立在人工计算基础之上的， 这种方式存在着劳动时间长，工作效率低的缺点，并且应用场合受到了很大的限制。 电子技术的出现与进步，带给了人们新的测量手段。科研人员采用温度与湿度传感器代替原 2 宁夏人学硕f ：学位伦文 第一章绪论 始的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的数据采集与检测系统，并且可以直接显示出来， 这种方式不仅提高了一i ：作效率，并且扩展了应用范围。例如2 0 0 2 年s e n s i r o n 公司在世界上率先研 制s h t i1 、s h t l 5 型智能湿度温度，传感器，其体积与火柴头相近。测量相对湿度的范围为o - q 0 0 ， 分辨率为0 0 3 r h ，测域温度的范围为4 0 + 1 2 8 ，分辨率为0 1 。 从上世纪5 0 年代以来，传感器的发展已经历了模拟传感器( a n a l o gs e n s o r ) 、数字传感器 ( d i g i t a ls e n s o r ) 、智能传感器( s m a r ts e n s o r ) 的发展历程，正逐步向具有i n t e m e t 功能的智能 传感器发展。 1 9 8 2 年，w e nh k o 和c l i 肪r dd f u n g 首先提出了智能变送器( i n t e l l i g e n m s d u c e r s m a r t t r a n s d u c e r ) 的概念四i 。智能变送器，即智能传感器与智能执行器的总称，是把模拟或数字的传感 器或执行器单元与集成了处理器、存储器、接口电路和网络控制器的本地微控制器进行整合，使 变送器具有一定程度盼智能。2 0 世纪八十年代末至九十年代初，为适应工业测控网络的需要，人 们推出了现场总线f i e l d b u s 技术。现场总线是连接智能化现场设备和主控系统之间全数字、开放 式、双通信网络。将现场总线技术应用于智能传感器，大大减少了传感器与主控系统的连线。 当今世界i n t e m e t 现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道，也是地 球上最大、最普及的网络系统。如果各种嵌入式系统也能够接入i n t e m e t ，则可以方便、快捷、 低廉的在世界上的任何一个地方通过网络进行过程控制和信息发布。而现有的将微控制器间组成 的网络与i n t e m e t 相互独立是这种网络无法克服的缺点。随着计算机技术和网络通信技术的飞速 发展，尤其是嵌入式技术的发展，更是促进了传感器高度智能化的发展。因此嵌入式微控制器网 络化已成为现代测控系统、仪器仪表的重要发展方向，也成为了当前的一大研究热点。而传统的 传感器能否实现信息化，作为现场智能单元的传感器能否像计算机一样成为i n t e m e t 网络的一个 节点，并具有网络节点的组态性和可操作性，成为了当前研究的又一热点。与i n t e m e t 技术相融 合，使传感器在现场级就实现t c p i p 网络协议功能。因此把测控网和信息网统一起来，成为传 感器实现信息化的主要研究目标和方向。目前国外已经把多传感器信息融合技术作为一个研究热 点，并且取得了一定的成绩，并且有i e e e1 4 5 1 标准的诞生，可见传感器智能化网络化的发展成 为了未来的主要热点。 1 3 课题研究的意义及任务 1 3 1 课题研究的意义 温度和湿度在日常生活和生产中都极为重要，而湿度测最在十年前还是局限于气象，科研等 少数领域里讨论的技术，随着社会的发展，社会的各行各业甚至在我们日常的生活中都和湿度联 系得越来越紧密，在很多方面已经成为了非常重要的参数，特别是二i ：业和农业生产中其重要程度 非常高。现代电子技术同样使湿度传感器成为科技刊物上常见的术语。越来越多的专业人士关注 并研制出各种新型湿度传感器。嵌入式技术、总线技术同样在湿度测量领域开出绚丽的花朵。国 内外学者从十八世纪就开始对湿度测量进行了研究，到目前为止湿度测量从原理上划分有二、三 十种之多，方法各异，多具有的特点各不相同，最具代表性的有动态法( 双压法、双温法、分流 法) ，静态法( 饱和盐法、硫酸法) ，露点法，干湿球法和电子式传感器法等，其中干湿球法是应 3 宁夏人学硕l j 学位伦史第一章绪论 曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼鼍曼璺置皇曼鼍曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼量ii i 舅葛 用最广泛的一种方法，它是一种间接的测量方法，其测量的准确性还是被世界所公认，其优点在 于此方法是通过测量干球、湿球的温度并且经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制， 在环境温度较高时下测湿不会对传感器造成损坏。 本课题基于上述背景条件下提出的，目的在于使温度和湿度测量智能化，测量数据准确化， 随着计算机及许多智能技术的出现，把嵌入式i n t e m e t 和传感器有机结合起来更加使人们能够在任 何时间、地点、和任何环境条件下获得环境参数的可靠信息，这些现场测量数据在网络范围内得 以发布和共享，对于农业生产和工业控制有着重要的意义。 1 3 2 论文主要任务： 1 介绍当前主要应用的湿度传感器，并重点研究基于干湿球原理的湿度传感器 2 针对本文所用温度传感器、风速传感器、压强传感器的提出合理保证测量准确度的方法。 3 对整体系统实现硬件上合理设计。 4 对数据采集系统软件算法进行重点研究。 s 对模拟环境因素的进行有效控制，采用模糊控锘口方法进行仿真。 6 对嵌入式i n t e m e t 进行一定的研究，使采集数据系统具有连接网络的功能。 1 3 3 系统达到的技术指标 1 ) 干球温度测量范曝与精度： 2 ) 湿球温度测量范围与精度： 3 ) 相对湿度测量范嗣与精度： 0 6 0 ，q 1 0 - - - 6 0 ，0 1 1 1 0 0 足日，2 足阿 4 宁夏人学颂i ：学位论史第二帝系统总体硬件设计 第二章系统总体硬件设计 一个智能化的仪表，硬件部分的设计很重要，它关系剑整个系统的性能及实现方式。本章重 点介绍整个系统硬件的结构设计及部分重点设计模块，并对其进行了整体的误差分析，使其满足 设计要求，功能上分为数据采集系统和嵌入式网络处理单元两个主要部分，下面为其详细原理及 其设计方案。 2 i 干湿球基本原理 2 1 1 干湿球原理 单片机的相对湿度测量方法主要有两种：一是采用湿度传感器，二是采用干湿球。前一种方 法的测湿效果在很大程度上取决于所用的传感器，现在湿度传感器大都还处于研发阶段，虽然种 类各异，原理不同，并且湿度传感器在测鼙湿度时，往往需要许多复杂的电路设计，有些还需要 高频率的交流电供电，测量精度一般也较差( 往往在士3 l i h 之下) ，同时，精度与温度、湿度 的变化也有复杂的影响关系，可见他们在长期可靠性等方面还存在许多问题。所以在有些需要高 精度测量、湿度传感器需要长时间在高温高湿环境下时，往往是采用干湿球湿度测量的办法，因 为一般湿度传感器无法满足更高的精度要求和经受长期恶劣环境的考验。 干湿球测量原理中，干球温度传感器与普通的温度传感器测量温度完全一模一样，而湿球温 度传感器则是一个绑有浸润水的温度传感器，由于水分的蒸发会带走一部分热量，所以湿球传感 器的温度要比干球传感器的温度低。本设计中千湿球采用两只铂电阻够成的温度测量单元，以达 到测量的目的。 干湿球测温数学公式： u ：e m - a p a t 1 0 0 ( 2 - 0 q 式中：l l 相对湿度：e 。湿度温度下的饱和水气压；e ，一千球温度下的饱和水气压；a 一常数， 与风速有关；p 一大气压力；a t 一千湿球温差。 ( 2 。1 ) 式表明在空气状态不变的情况下，两球的温差反映了空气中相对湿度。它是干湿球测 湿的理论依据，其特点就是通过测鼙温度来间接测量湿度。干湿球理论出现的较早，虽然测湿方 法原理简单，但其测量受许多冈素影响，冈此对于测量状况和湿度值得计算方法必须十分注意。 通过人们的大量分析和研究，得剑了其影响测量精度的各种原因。它们分别是： 温度测量误差 的影响、干湿球系数a 造成的影响、湿球温度铆的影响、大气压强的影响、饱和水气压的影响、 辐射的影响i l j 。其中主要影响冈素是：温度传感器的精度、风速的稳定性、饱和水汽压。所以本 设计采取必要的方法以到达测避的准确性。 5 宁夏人学硕 ：学位论文第，：章系统总体硬件设计 曼蔓曼曼曼! 皇皇! 皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼鼍i i mmm ! m 鼍曼! 曼曼皇璺鼍皇曼曼! 曼寡曼! 曼 2 1 2 饱和水汽压的计算 饱和是一种动态平衡态，在该状态下，气象中的水汽浓度或密度保持恒定。在整个湿度的计 算过程中，对于饱和水蒸气压公式的选取显得尤为重要，从1 9 4 7 年起，世界气象组织就推荐使 用g o f f - g r a t t c h 的水汽压方程。该方程是以后多年世界公认的最准确的公式1 1 】1 3 】1 4 1 【6 l 。国家给出的 湿度查算表也用此公式。它包括两个公式，一个用于液汽平衡，另一个用于同汽平 衡，本设计中用到的计算公式如下： 对于水平面上的饱和水汽压1 2 l ( 温度范围4 9 9 - - - + 4 9 9 ) o e ，= 1 0 7 9 5 7 4 ( 1 - t l 丁) 一5 0 2 8 0 0 l o g ( 丁互) - i - 1 5 0 4 7 5 1 0 4 f 1 一1 0 2 9 6 9 ( r 7 毛一1 1 - i - o 4 2 8 7 3 1 0 3 ( 2 2 ) 10 4 7 6 9 5 5 ( i 一五7 n 一1 1 - i - 0 7 8 6 1 4 ( 2 2 ) 式为1 9 6 6 年世界气象组织发布的国际气象表所采用。 计算饱和水汽压公式有很多，考虑到应用单片机在进行处理的时候比较复杂，且简化公式存 在着不准确性，本设计在计算相对湿度时，应用国家气象局出版的湿度查算表，此表能够查 出o - _ 4 9 9 c 对应的饱和水汽压值，它的准确度较高，符合标准。此外5 0 o 6 0 0 * c 的饱和水汽压 值可通过软件编程方式求出，并将全部的饱和水汽压值以表格的形式存于单片机的内存中。 2 2 系统总体硬件设计 由上一节分析的原理可知，需要采集干球温度、湿球温度、大气压强及风速，此外为保证湿 度测量精确还要控制风速，并且该系统具有远程网络通信功能。系统总体硬件分为数据采集系统 和嵌入式网络处理单元两部分，分别由两个单片机控制，总体结构如图2 1 所示，二者通过串行 方式通信。其中数据采集系统具体结构如图2 2 所示，它是由温度信号采集模块、a d 转换模块、 大气压强采集模块、风速采集模块、直流风扇控制模块1 1 0 1 1 1 1 j i l 2 1 3 1 四部分组成并且由单片机 a d u c 8 4 8 控制。嵌入式网络处理单元的具体结构如图2 9 所示，由单片机s t c 8 9 c 5 8 来控制。整 个系统的：i ：作过程为：数据采集系统通过各个模块采集到的数据经过分析和校正后得到温度和湿 度值存入射a d u c $ 4 8 的r a m 中，在通过串行通信将测得的温度和湿度值送鲥嵌入式网络单元， 用户就可通过网络的方式对温湿度进行远程的监视，上述各个模块的详细设计如f 面几节所述。 t l 嵌入式网络 数据采集系纲 + i n t e m e t 处理单元 r x 【t x d 图2 - 1 系统总体硬件结构图 6 宁夏人学硕i j 学位论文第：章系统总体硬件设计 2 3 数据采集系统硬件设计 图2 - 2 数据采集系统整体结构图 数据采集系统整体结构，如图2 2 所示，两路p t l 0 0 及放大电路组成温度信号采集模块：压 力传感器及放大电路组成人气压强采集模块、风速传感器及放大电路组成风速采集模块、a d 转 换模块使用单片机a d u c 8 4 8 自带的模块，由于前面采集的四路模拟信号，所以用其前四个模数 转换通道a i n ! 、a i n 2 、a i n 3 、a i n 4 ；直流驱动模块及直流风扇组成直流风扇控制模块。系统 工作过程为：通过直流风扇控制模块与风速采集模块来控制风速，使其稳定在3 5 m s ，之后由干 球、湿球组成的温度信号采集模块将p t l 0 0 的测得的数据，经过信号调理放大电路及单片机数据 处理后存入内存中，同理经过压力传感器将采集到的大气压强也存入单片机中，将上述采集到温 度、压强带剑公式( 2 1 ) 中即可得湿度值。 2 3 1 温度信号采集模块设计 干、湿球温度检测电路的传感器采用p t l 0 0 ，放火电路的结构也一致，本文设计的恒流电流 源的值为1 m a ，信号放火电路的放大倍数为2 0 倍，对于测鼙o 0 1 的温度变化量( 对应的电阻变化 为3 8 7 m f l ) 就要求信号放大电路能分辨3 8 5 3 u v 微弱电压的变化。由于传感器输出的信号是一 个微弱信号，这需要设计一个功率小、高稳定度，且具有干扰隔离与抑制措施的信号放大电路。温、 湿度检测电路由恒流源和放大电路两部分组成。 l 恒流源设计 如图2 3 所示，图中采用的单片集成块l m 3 9 9 的：r 作原理与一般齐纳管相同，它可提供温度漂 移0 0 0 0 l 哆“的参考电压，且稳定性好。l m 3 9 9 提供了稳定的6 9 5 v 电乐输出并作为集成运放 o p 0 7 的同相输入信号，输出端接到下一级放大电路i c l 7 6 5 0 的反相端，由i c l 7 6 5 0 同相输入端接 地，所以输出当足取6 9 6 艘时实现恒流。图中，r l 和c 1 构成一个r c 衰减网络，可以消除高频 干扰噪声 n 沟道晶体管2 s k 3 0 和运放o p 0 7 等一起构成了一个高精度的压控电流源电路。其恒流 电流计算如f ： ，：6 9 5 v ：鱼：竺! 兰：0 9 9 5 7 0 2 m 1 l m a ，= 一= 一= 蜀l m r 尺5 6 9 6 k q 2 恒流源误差分析 l m 3 9 9 造成的误著对恒流源为：6 0 0 0 0 0 1 = o 0 0 6 。 7 宁夏人学硕l ：学位论文 第二：幸系统总体硬件设计 o p 0 7 工作方式是电压跟随，由它造成的误差主要是偏置电压，偏置电压的温漂是0 6 u v ：c ， 所以由o p 0 7 造成的误差是：6 0 0 6 1 0 - 6 6 9 5 = 0 0 0 0 5 。 相对于l m 3 9 9 的误差o p 0 7 的可以忽略，所以恒流源对检测系统造成的误差近似为 4 = 0 0 0 6 。 电阻r 5 选用高稳定性且温度漂移为5 p p m l 2 ，所以在检测温度范围为0 - 一6 0 c 共造成的误差 为5 p p m 6 0 = 0 0 3 所以恒流源总体误差计算如下： 厂。一 4 = ( o 0 0 6 ) 2 + ( 0 0 3 ) 2 = 0 0 31 图2 - 3 温度测量电路 3 放大电路设计 图2 - 3 所示，它由两级运放组成，其上作原理为： 1 ) 传感器工作方式 温度传感器p t l 0 0 上流过l m a 电流( 由上面设计的恒流源提供) ，所以此时温度传感器为 恒流工作方式。 2 ) 温度传感器偏压的消除 p t l 0 0 在0 6 0 c 时的温度特性如下： r t = 1 0 0 ( 1 + 3 9 8 0 2 木1 0 - 3 掌，一0 5 8 0 1 9 5 * 1 0 _ 6 r 2 ) q ，在o c 时- ，p t l 0 0 为1 0 0 i f ，它将在 处产生_ o 1 v 的电压降。这样是不理想的，为此设计中加入调零电路l u 和r w i 以便调零。 3 ) 输出电压计算： 由于第一级运放1 c l 7 6 5 0 同相端接地，所以 i i 。纸( 2 - 3 ) 扣+ ( 2 4 ) 其中：e 删= - r t x l 0 - 3 = - 0 1 ( 1 + 3 9 0 8 2 1 0 3 r 一0 5 8 0 1 9 5 * 1 0 _ 6 f 2 ) ( v )( 2 5 ) 圪=695v(2-6) 1 3 = ( 0 一圪叫) ( 尺2 + r j ) ( 2 7 ) 8 宁夏人学硕l j 学位论文第：章系统总体硬件殴计 量曼曼曼曼曼曼! 曼曼詈曼皇! 曼鼍曼曼曼曼笪曼葛皇曼曼i i i iii i h i ii 一一i 曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼鼍皇曼蔓曼皇蔓 对于第级运放来说： 1 3 = i l + 1 2( 2 8 ) 将上面公式带入式( 2 8 ) 得到 圪哪= 1 0 q 孝r ，奎( r 2 + r 畈) r 6 卜6 9 5 幸( r 2 + r 畈) ( r 3 + r 暇) ( 2 - 9 ) = 【o i ( i + 3 9 0 8 0 2 木1 0 q r o 5 8 0 1 9 5 + 1 0 _ 6 t 2 ) 木( 足2 + r ) r 6 】 - 6 9 5 0 + ( r 2 + r ) ( r 3 + r 彬) ( 式( 2 9 ) 即为输出电压与温度t 的关系。 4 ) 电路中参数的确定 本设计的温度范围为0 - - 6 0 ，所以根据消除偏置电压的原理以及a d c 输入的范围可得： 当t - - 0 * c 时，要求= 0 0 0 0 v 由式( 2 - 9 ) 可知： 【o 1 奎( j f c 2 + r 畈) r 6 】一6 9 5 0 木( r 2 + r ) ( 焉+ 欠) = 0 ( 2 - l o ) 显然此时要保证尺6 ( r 3 + r 暇) = 1 6 9 5 即保证( 2 1 0 ) 式成立。这样也说明了r 3 + r 为 调零项。一般民取1 殷则r 3 + 尺彬最小取6 9 5 舱。取r 3 为6 8 施，r 为精密可调电阻取 6 触，以便调节。 当t - - 6 0 c 时，由于单片机的a d 电压输入范围：0 2 5 6 v ，所以要求吃。= 2 5 6 0 v ，此时 r t = 1 2 3 2 4 2q ，将心= l 施，r 3 + r 形= 6 9 5 舱代入( 2 。1 0 ) 式可得 1 0 。1 2 3 2 4 2 事( 如+ 足吸) i 1 6 9 5 0 事“+ r 吸) 6 9 5 = 2 5 6 可得砭+ r 职= 1 1 0 1 5 5 k q ，取r ，= 1 0 0 硷，取r 职= 2 0 施的精密可调电阻。 5 ) 温度测量电路误差分析 a )第级放人电路误差 第一级放大器i c l 7 6 5 0 的影响，由于i c l 7 6 5 0 的偏置电压影响的是恒流源，上面已经讨论过， 现在主要讨论偏置电流对放大电路的影响，i c l 7 6 5 0 的最大偏置电流4 0 p a ( 0 7 0 c 时) 与电流源相 比为0 0 0 4 ，所以第一级放人器的误差是反= o 0 0 4 。 b )第二级放大电路误差 偏置电压：失调电压i o u v ，温漂0 2u v ，内部失调电压可以靠调零电路调节，引起误差 的主要是温漂，偏置电压引起的误差为： 6 0 1 2 0 2 u v 。c = 1 2 u v , 岛= 1 2 u v 1 2 2 7 1 0 3 m v = 0 0 0 9 7 。 4 温度测量电路总体误差分析f 1 7 】【1 8 l ： 由以上分析及处理方法可得干湿球最大的温度测量误差为 瓯= 砰+ 霹+ 霹= ( o 0 3 1 ) 2 + ( o 0 0 4 ) 2 + ( o 0 0 9 7 ) 2 = 0 0 3 3 ，温度整体误 差为玩= 0 0 1 9 8 + 9 1 1 0 q 0 0 1 9 8 、“正小”( p s ) 、“正中妒m ) 、“正大 b ) 7 种，将偏差e 和偏著变化率e c 量化n ( - 3 ，3 ) 的 区域内，输出k 。量化为( 3 ，3 ) ，毛和t 量化为( 1 ，1 ) ，输出的隶属函数曲线见图3 - 2 。 图3 - 2e 和p c 隶属函数曲线 建立模糊控制器的控制规则表 根据参数k 。、t 和k 对系统输出特性的影响，可得出在不同的e 和e c 时，参数的自整定原则。 当纠很大时，不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大( 或最小) 输出，以达 到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。同时为了防j f ：积分饱和，此时j 屯取较大k 。， 较小的k ，和k 。取零。 当e 木e c o 时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时若误差较大，可考虑由控制器 实施较强的控制作用，以达到扭转误著绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差绝对值，此时 取较人的k 。，艺不能太大，取较小的k i 值。 若误差绝对值较小，控制器实施一般的控制作 用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化。 当e 拳e c 万，将区间【，x 。】分成掰个子区【，x o 肘】和【j r i o ，五脚】，其中( x o o = x o ， x o 埘= 而o ，x l 肼= x ，) 。再按照上述方法分别作折线： u l = 鼻( x ) ，u 2 = 最( x ) ( 4 2 ) 在两个区间拟合f ( x ) ，计算各段拟合最人误差，判断其是否大于万。若不大于万则拟合完毕，否 则在将子区间一分为二个更小的子区间，直到各子区间均满足脚艿为止，拟合完毕。此时各 子区间为【x o o ，】，【而o ，一。】，【t ，1 ) 0 ，t ) 棚】，i x j 0 x j 坍】，总数为i + 1 个，为有限数。在区 间【，x 。】上可用有限个的n 段折线代替原来的曲线并保证使其误差在允许范围内。这种方法 宁夏大学硕卜学位论文第阴章系统软件设汁 曼! 曼曼曼皇曼曼鼍曼篁! 曼曼皇曼曼量皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼量曼量皇曼量曼鼍曼篡一i l l il ii i i 鼍舞曼曼皇曼曼鼍曼皇曼皇曼曼曼! 曼曼量曼曼曼舅 就称为非线性函数折线拟合。 根据p t l 0 0 分度表4 1 以及表4 - 2 ，为使其满足精度要求，采用插值方法对其进行校正时分 为4 段。 表4 - ip t l 0 0 温度传感器分度表 表4 - 2 相邻l 之问p t l 0 0 阻值的差值表 a ) 把p t l 0 0 在m 2 0 时分为一段： 先作出直线u 兰f ( t ) = a t + b ， 么= 1 0 7 夏7 9 i 4 矿- 1 0 0 = o 3 8 9 7 ，b = l o o 所以 f l ( f ) = 0 3 8 9 7 t + 1 0 0 ，根据公式( 4 ) 有： a m l ( f ) =，( ，) 一( ，) 0 3 8 9 7 x 1 0 + 1 0 0 - 1 0 3 9 0 3 =，一=一 f ( t ) 1 0 3 9 0 3 = 5 8 x 1 0 - 5 转换非线性引起的温 度最人误差为1 1 6 x 1 0 - 3 。 b ) 把p t l 0 0 在2