5.2温室环境检测系统中的传感器选择及应用20100905.doc

5.2 温室环境检测系统中的传感器选择及应用现代化温室作为设施农业的一个方面，其环境检测与控制系统利用自动化、机械化和微电子智能高新技术，使温室内温度、湿度、光照、CO2浓度等环境参数自动调控到作物生长所需的最佳状态值，以及生产作业高度自动化和机械化。温室设施包括环境调控设施和温室建筑结构，而先进的环境调控是现代化温室重要特征。温室环境控制，即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。现代化温室，通过传感器、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、CO2、水分等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，以达到早熟、优质、高产的目的。在温室自动化管理系统中应用的传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2浓度传感器等。选择传感器的原则是：接口简单、性能稳定、工作可靠等。5.2.1 温度检测1温度传感器的选择温室内环境的变化范围为040，变化速度较为缓慢，且对作物生长的影响不特别敏感，因而灵敏度要求不高。因温室内湿度较大，传感器需具有较好的物理和化学稳定性。故选择的传感器应该满足具有长期稳定性好，测量范围符合作物生长的环境要求，满足测量精度要求等条件。为了便于推广应用，要求传感器性能稳定，价格适中。目前，温度传感器主要有数字式温度传感器和模拟式温度传感器。数字式温度传感器其与微处理器的接口为数字形式以串行接口为主，主要有美国DALLAS半导体公司的单线式数字化测温集成电路DS1820和瑞士SENSIRION公司的SHT71二线制温湿度一体集成电路。模拟式温度传感器通过ADC与微处理器的接口，常用的有热电阻温度传感器或变送器和集成温度传感器（如AD公司的AD590集成温度传感器）。可根据温室测控系统灵活选用，如在温湿度测量点较多且使用无线节点时可选用SHT71，需要增加温度测量点时可选用DS1820；在测量点很少（小型温室，有一个测量点就能满足需求）且测量点距离控制器较近时，温室内可不用无线节点，此时，可选用温度变送器直接与温室控制连接，节省成本。DS1820采用1-Wire单线接口方式，与微处理器接口时仅需占用1个I/O端口，支持多节点，使分布式测量，测温时无需任何外部元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式；测温范围为-55+125，测温精度为0.5。SHT71采用二线制I2C接口方式，与微处理器接口式需要2个I/O端口，测量范围-40123.8，测量精度0.8。热电阻温度传感器是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度，常用的热电阻材料有铂和铜。其中，铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，氧化性气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。本文设计了一款基于PT1000的温度变送器，测量范围在0145时测量最大误差0.4，线性度和重复性很好，成本低。2测量电路的设计本文以采用热电阻PT1000为例，讲述其变送器的设计过程。采用PT1000设计的温度变送器主要包括R/V电路、放大电路、V/I电路三部分。R/V电路将电阻变化值转换为电压变化值，放大电路将微弱的电压放大到合理的值，V/I电路将电压变化转换成420mA电流输出，提高抗干扰能力。 R/V电路有恒压式和恒流式测量电路两种。恒压式测量电路如图5-2-1所示，该电路采用桥式电路，将电阻的变化转化为电压的变化，桥式电路中的电阻精度和匹配程度对测量精度影响较大，应选用高精度、低温漂的电阻。在该电路中，为了使桥式电路不受影响，需将输入电阻值选取高达R4= R6=1M的数值，由此而决定了运算放大器必须是低输入偏置电流的场效应晶体管输入型。增益调整零点调整增益调整图5-2-1 恒压式测量电路调零图5-2-2 恒流式测量电路恒流式测量电路如图5-2-2所示，该电路采用恒流源，将电阻的变化转化为电压的变化，设计高精度的恒流源是提高测量精度的关键。两者比较，恒流式测量电路调试方便，故选用之。如图5-2-2所示，测温电阻流过的标称电流为1mA，基准电压为2V，从电路可知，流过PT1000的电流为 (5-2-1)运算放大器LM358正常工作时，V-和同相端输入V+相等。V+由基准电压用电阻R5、R6、R7分压得到。若假定V+ =1V，则 (5-2-2)PT1000中流过1mA的电流，在0时，LM358的1端就有的偏置电压，这是不理想的。为了使传感器能在0时，LM358的1端输出电压为0V，必须在电路中消除该偏置电压（1V）。为此，在LM358的同向输入端输入1V，LM358的1端的电压为 (5-2-3)式中RPT1000为铂测温电阻，因 (5-2-4)所以 (5-2-5)温度升高时，输出电压变小，需要设计一级运算放大器A2将负输出倒相为正电压并给与必要的放大。由于在温度范围较宽时，其非线性误差是较大的，还必须设计如图5-2-3所示的电路进行线性校正，这里采用正反馈来实现线性化。线性校正增益调整调零 图5-2-3 带线性校正的恒流式测量电路放大电路中包含零点调节电路，即调节本级放大电压输出的大小, 保证在信号源零度时整个回路电流为4mA。倘若要使运算放大器A2的输出V0达到10mA/的灵敏度，就需要通过调整电位器调整增益。V/I转换电路，如图5-2-4所示。 (5-2-6) (5-2-7)运算放大器在理想情况下有 (5-2-8)所以有 (5-2-9)因此 (5-2-10)若输入为15V，则输出为4mA20mA。通过对温度变送电路进行实际测试，结果表明其线性度高，误差为0.4，满足温室测控系统的需求。图5-2-4 V/I转换电路5.2.2 湿度检测1湿度传感器的选择影响作物生长的湿度是空气的相对湿度，本系统需要检测温室内空气的相对湿度，它是绝对湿度和饱和湿度之比。目前，对于湿度检测传感器的选择比较多，湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻比较多，如：金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。使用湿敏电阻作为湿度检测的优点是灵敏度高，但缺点是线性度和产品的一致性比较差。湿敏电容一般采用高分子薄膜电容制成，其优点是灵敏度高、线性度好、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等。对温室湿度的测量可采用数字式温湿度一体集成芯片SHT71，也可采用利用湿敏元件制作的传感器或变送器。可根据温室测控系统灵活选用，当需要测量多个点且测量点距离控制器较远时，可以采用无线网络节点，适合选用SHT71芯片；当测量点很少，不需要无线节点时，可采用湿度变送器直接连接到控制器，控制器完成数据的采集，以节省成本。2测量电路的设计本文以采用Humirel公司生产的湿敏电容HS1101为例，讲述其变送器设计步骤。湿敏电容HS1101的主要特点：(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。HS1101的测量范围是（0-100）RH，在55RH下的标称电容量为180pF，温度系数为+0.04 pF/。在（33-75）RH范围内的平均灵敏度为0.34pF/RH；产品具有良好的互换性；即可构成线性电压输出电路，亦可组成线性频率输出电路；响应速度快（5s），恢复时间短（10s），长期稳定性好（年温漂移量为1.5RH），湿度滞后量为1.5；供电电压一般为+5V最高不超过+10V。如图5-2-5所示，湿度变送器主要有湿敏电容HS1101和TLC555定时器构成的振荡电路、F/V转换电路、信号调理电路和V/I电路组成。TLC555振荡电路V/F转换电路信号调理电路V/I转换电路图5-2-5 湿度变送器结构框图HS1101和TLC555电路组成的C/F转换电路如图5-2-6所示。集成定时器TLC555芯片外围电阻R1、R9、与湿敏电容C构成对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6脚相连引入到片内比较器，便成了一个多谐振荡器，即方波发生器。另外R3是防止输出短路的保护电阻，R7用于平衡温度系数该电路有两个暂稳态过程：首先电源VCC通过R1和R5向C充电其电时间为： (5-2-11)当达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67VCC，此时输出引脚3端由高电平降为低电平后通过R5放电，放电时间为： (5-2-12)当电压下降到0.33 VCC时，此时3脚又由低跃升为高，因而输出频率为： (5-2-13)图5-2-6 C/F转换电路F/V转换电路采用美国NS公司生产的LM331转换器件，该器件是一款性能价格比较高的集成芯片，其采用新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低于4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大线性失真小于0.01，工作频率低于0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。频率电压转换电路如图5-2-7所示，输入频率fin经过C3、R4组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端，输入比较器的同相端经过R2、R4分压而加约2/3VCC的直流电压，反相输入端经电阻R4加有VCC上，当输入的脉冲下降沿到来时，经微分电路C2、R4产生一负尖脉冲叠加到反相的VCC上。当负尖脉冲大于VCC/3时，输入比较器输出高电平便触发置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对C4进行充电，同时因复零晶体管截止而使电源VCC通过电阻R6对C4充电，当电容C4两端电压达到2/3VCC时，定时比较器输出高电平是触发器复位。此时电流开关打向左边电容C7通过电阻R9放电，同时复位晶体管导通，定时电容C4迅速放电，完成一次充放电过程。图5-2-7 F/V转换电路电容C7的充电时间由定时电路R6、C4决定，充电电流由IR决定。输入脉冲的频率越高，电容C7上积累的电荷就越多。输出电压就越高，实现了F/V变换，因此有： (5-2-14)在进行F/V转换时，频率（范围7351Hz6033Hz）需要转换得到的电压为1-5V，以备V/I电路使用。在式(5-2-13)中R9、R6、C4为已知，需调整RS。信号调理电路如图5-2-8所示，其中的Vs使用滑线变阻器和10K电阻从+12V分压得到，经过跟随器接入减法电路，其中跟随器起隔离作用，提高输入阻抗。频压转换过来的电压Vout通过电压跟随器进入减法电路，根据虚短、虚断可以求出输出电压为 (5-2-15)其中要求R15/R13=R18/R20达到匹配，采用了；，则有以下方程： (5-2-16) (5-2-17)求得式(5-2-16)和(5-2-17)得到，RS =14.05K，VS=5.7688V，可通过调节滑动变阻器而获得。图5-2-8 信号调理电路V/I转换电路与温度变送器设计的一样，如图5-2-4所示。5.2.3 光照检测在光照度测量中，常用的光电器件是光电池和光敏二级管。通过对两者的结构与工作原理及特性的比较可知，光电池的漏电流、结电容较大，并联电阻较小。用光电池探测辐射时，有噪声大、动态范围和线性区小、响应慢等缺点。同时，光电池的疲劳现象直接影响其响应度的稳定性。另外，这两种器件的光谱特性也不同，光敏二极管的光谱特性与光谱光视效率更接近。硅光敏二极管在光照特性上、温度特性上、频率特性上等，都更适合于智能温室控制光照度传感器的测量。从光谱特性上可以看出，硅光敏二极管的光谱响应范围是400nm1100nm，可满足温室测控系统的需求，故选择硅光敏二极管作为光照度传感器的光电转换元件。光照度测量电路如图5-2-9所示，由于硅光敏二极管输出的是极其微弱的光电流，大约是2左右，因此需要一个放大电路，在保证输出信号线性的条件下，将输出的电流信号转换为对应的电压信号。硅光敏二极管输出电流信号经放大电路转换为电压信号输出，放大器输入电阻相对光敏二极管可以视为短路，则放大器的输出电压VO=Ii Rf。这种方式可以获得线性良好的电流电压变换。电路选用的硅光敏二极管型号为3DU050C，光谱范围为450 nm1150 nm，用于可见光、红外光检测，光电流IL（1000LX-10V）5mA，暗电流Id（0LX-l0V）0.1，击穿电压VCE030V，耗散功率Pd =1500mW。图5-2-9 光照度测量电路5.2.4 CO2检测1CO2传感器的选择目前，CO2传感器的类型有两种：一种是红外式，优点是精度高、工作稳定可靠、使用方便，缺点是价格较高；另一种是热导式，优点为价格较低，缺点为要经常更换感受元件，定期用标准气体标定传感变送器，使用不方便，且可靠性和感受元件相关。红外式CO2传感器是应用最广泛的一种，利用CO2吸收波长4.27um红外线的物理特性来有选择地准确测量CO2的分压，尤其是在CO2绝对浓度很高（甚至高达100%）的情况下更能准确测量其浓度，如T6004模块，测量范围：02000ppm，非线性小于1%FS，价格适中，主要参数指标如下：工作电压：4.755.25V工作环境：温度050，湿度095%RH建立时间：小于2分钟测量范围：02000ppm非线性误差：小于1%FS输出形式：数字输出（SPI）或模拟输出（04V