基于dsp湿度传感器测试系统(毕业论文)

本科毕业论文（设计）题目基于DSP技术的湿度传感器测试系统的设计及固件开发学生姓名杨荣辉专业名称电气工程及其自动化指导教师2009年05月09日基于DSP湿度传感器测试系统硬件设计及固件开发电气工程及其自动化05级电器一班杨荣辉20058601026摘要湿度是我们日常生活中经常接触的物理量，湿度的检测需要采用湿度传感器来进行。在我国，各行各业对湿度传感器的需求量很大，但是测试的低效率限制了产量的进一步提高。因此如何解决传感器的自动批量测试问题成为制约生产效率提高的主要因素。本文介绍了电容式湿度传感器复数电压法测量原理，建立了基于DSP技术的湿度传感器复数电压法测量模型，并将此模型应用于电路设计，简化了电路，减少了误差环节，为实现高精度快速测量提供了理论依据。本文设计了湿度传感器的测试系统，使用TMS320LF2407A作为主器件对硬件电路设计利用高速SPI接口的D/A芯片MAX5722产生正弦波利用USB接口芯片PDIUSBDI2进行高速USB总线传输利用数字电子开关CD4051进行多路通道选择设计，增强了系统的灵活性、适应性与扩展性。本系统实现了32路电容式湿度传感器的性能参数电容值0和品质因数值Q的高精度、高速测量，在对30100PF的电容性元件进行测量时，其用误差为02。该系统的实现解决了湿度传感器生产过程中检测误差大和速度慢的问题，也为组建其它类似的检测系统提供了可以借鉴的方法和系统构架。关键词DSPUSB总线湿度传感器复数电压DSPBASEDHUMIDITYSENSORTECHNOLOGY,TESTSYSTEMHARDWAREDESIGNANDFIRMWAREDEVELOPMENTABSTRACTHUMIDITYISOFTENINOUREVERYDAYLIFEOFTHEPHYSICALCONTACT,MOISTUREANDHUMIDITYDETECTIONREQUIRETHEUSEOFMASSSENSILLATOINOURCOUNTRY,ALLWALKSOFLIFETOTHEHUMIDITYSENSORINGREATDEMAND,BUTTHETESTINGOFLOWLIMITSTHEPRODUCTIONEFFICIENCYFURTHERIMPROVEDSOHOWTOSOLVETHESENSORPROBLEMASAUTOMATICVOLUMETESTCONSTRAINTSTOENHANCEPRODUCTIONEFFICIENCYASTHEMAINFACTORINTHISPAPER,CAPACITIVEHUMIDITYSENSORPLURALVOLTAGEMEASUREMENTPRINCIPLE,BASEDONDSPTECHNOLOGYPLURALOPERATIONVOLTAGEOFTHEHUMIDITYSENSORMEASUREMENTMODEL,ANDTHISMODELISAPPLIEDTOCIRCUITDESIGN,SIMPLIFYINGTHECIRCUITTOREDUCETHEERRORLINKINORDERTOACHIEVERAPIDHIGHPRECISIONMEASUREMENTPROVIDESATHEORETICALBASISINTHISPAPER,THEDESIGNOFTHEHUMIDITYSENSORTESTSYSTEM,THEUSEOFTMS320LF2407AASTHEMASTERDEVICEONTHEHARDWARECIRCUITDESIGNTHEUSEOFHIGHSPEEDSPIINTERFACEOFTHED/ACHIPMAX5722HAVEASINEWAVETHEUSEOFUSBINTERFACECHIPPDIUSBDI2HIGHSPEEDUSBBUSTRANSMISSIONTHEUSEOFDIGITALELECTRONICSWITCHINGCD4051FORTHEDESIGNOFMULTICHANNELSELECTIONTOENHANCETHESYSTEMSFLEXIBILITY,ADAPTABILITYANDSCALABILITYTHESYSTEMACHIEVEDA32ROAD,CAPACITIVEHUMIDITYSENSORCAPACITANCEVALUEOFTHEPERFORMANCEPARAMETERS0ANDQUALITYFACTORVALUEQHIGHPRECISION,HIGHSPEEDMEASUREMENT,INTHE30100PFOFTHECAPACITIVECOMPONENTSMEASURED,THEQUOTEDERROROF02PERCENTOFTHESYSTEMTOSOLVETHEHUMIDITYSENSORTOACHIEVETHEPRODUCTIONPROCESSANDTHEERRORDETECTIONTHEPROBLEMOFSLOW,BUTALSOTHEFORMATIONOFOTHERSIMILARDETECTIONSYSTEMSCANLEARNFROMTHEMETHODSANDSYSTEMSFRAMEWORKKEYWORDSDSPUSBBUSHUMIDITYSENSORPLURALVOLTAGE目录一绪论611课题背景612湿度测量在生产生活中的应用及意义613课题相关领域发展现状7131湿度传感器及敏感元件发展现状7132数据采集及传感器测试技术现状8133DSP技术的应用状况9134通讯技术方式9二湿度传感器1021伸缩式湿度传感器1022蒸发式湿度传感器1123露点传感器1124电子式湿度传感器12241电阻式湿度传感器13242电容式湿度传感器13243热敏电阻式绝对湿度传感器1725其它类湿度传感器17251电磁波湿度传感器18252吸收式湿度传感器1826小结18三方案设计及测量原理1831引言1832湿度传感器测量原理19321电容式湿度传感器的等效形式及单元测量电路19322电容式湿度传感器复数电压法测量电路20323复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型的建立20324基于DSP技术的复数电压法测试数学模型的应用2433硬件模块的实现方案2534通讯方式方案选择2635总体方案设计27四湿度源设计2841湿度的产生2842湿度标准2943湿度源设计3144保证湿度源精度的必要措施33五硬件电路设计及编程3451硬件电路设计34511TMS320LF2407A主板设计35512正弦波产生电路的设计38513串行通讯口设计32514电子开关设计4252固件编程43六误差分析及结果4861硬件电路误差分析4862结果及分析50七后言51参考文献52致谢53一绪论11课题背景现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通讯技术、计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器技术是信息社会的重要技术基础，传感器的数量、质量直接决定了信息技术系统的功能和质量。传感器作为捕捉信息的器件，在高度信息化社会的科学技术发展中占有重要的地位。传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。传感器领域的主要技术正在现有基础上延伸和提高，加速新一代传感器的开发和产业化。微电子技术，大规模集成电路技术、计算机技术，光电子技术，超导电子等新技术的发展，均为加速研制新一代传感器提供了发展的条件。当今世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术一传感技术必须跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是当今世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。传感器是流程自动控制系统和信息系统的关键基础之器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平，自动化技术水平越高，对传感器技术依赖程度越大。在信息社会中，人们为了推动社会生产力的发展，需要用传感器来检测许多非电量信息，如力、压力、流量、速度、温度、湿度以及生物量等等。不难看出，传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。一些早己形成传感器产业的发达国家已经把传感器技术作为重点技术加以发展。湿敏传感器属于敏感类传感器，目前世界年产湿度传感器的数量是非常大的，我国的产量也是可观的，仅气象、环保、纺织、生化等行业需求量就很大，另外农业、食品、木材、煤炭等对湿度传感器的需求也在不断增加。12湿度测量在生产生活中的应用及意义空气湿度与人类关系密切。人们的日常生活和生产活动以及动植物的生长和生存，都与周围环境的湿度息息相关，从日常生活、家电、交通、到医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。如为防止库中的食品、武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈必须保证在干燥的环境中而水果、种子、肉类等又需要保证在一定湿度的环境中，这些都须对湿度进行测量与控制。茶叶、烟草等加工各类纺织企业更离不开对湿度的控制。在家电上湿度测量广泛应用于空调机、微波炉、摄像机等电器。在农业生产中也大有作为，果园、大棚蔬菜蔬菜大棚的湿度需控制在70RH以止等种植都需对湿度进行监控。随着科学技术的发展，对湿度控制需求越加迫切，要求湿度传感器向微型化和集成化方向发展，同时要求传感器抗污染。对环境湿度的控制将直接影响产品质量和产品的成败问题。如纺织厂的棉纱质量与湿度有直接关系，湿度要进行控制。纺织工业加工原料主要是纤维材料，纤维材料具有吸湿的特性，吸湿量多少与环境空气的湿度有关。因此，随着工农业，国防、科技及整个国民经济的迅猛发展，对环境湿度的控制和检测越来越受到人们的重视，市场也越来越大。13课题相关领域发展现状131湿度传感器及敏感元件发展现状传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投资强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。高分子湿度传感器的研究始于1938年，由美国的达姆FWDUMMORE在金属丝状电极的上面浸涂一层聚乙烯醇和氯化铿的混合感湿膜，而研制出的浸式氯化铿湿度传感器。此后，电解质、有机高分子、各种感湿材料组成的传感器相继出现。自从1978年芬兰VAISLA公司成功地研制了HUMICAP以来，高分子湿度传感器优异性能在国际上获得了越来越多领域的承认，特别是湿度量程宽、响应时间短、湿滞回差小、制作简单、成本低等优点，成为其它湿度传感器激烈的竞争对手。在气象、纺织、集成电路生产、家用电器、食品加工及蔬菜保鲜等方面得到了广泛的应用。我国从1980年开始研制高分子湿度传感器。随着应用的深入和扩大，我国研制的高分子湿度传感器的某些性能已得到了很大的提高，有的接近或赶上了国外有的厂家生产的湿度传感器。敏感元件与传感器发展的总趋势是集成化、多功能化、智能化和系统化。传感器领域的主要技术正在现有基础上予以延伸和提高，加速新一代传感器的开发和产业化1微机械加工技术MEMT技术将高速发展，成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。它不仅可以制成简单的三维结构，而且可以做成三维运动结构与复杂的力平衡结构。采用MEMT技术形成的微传感器和微系统，具有划时代微小体积、低成本、高可靠等独特的优点。2新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进传感器。3，传感器应用领域得到新的拓展，二次传感器和传感器系统的比例大幅度增长，集成化、智能化传感器与变送器将会呈现畅销势头。132数据采集及传感器测试技术现状数据采集技术DATAACQUISITION是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等模拟量ANALOGSIGNAL转换为数字信号，再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程，即称为“数据采集”。相应的系统即为数据采集系统数据采集系统的任务采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，数据采集也随之越来越重要。数据采集技术在许多场合，如航天、航空、通信、交通、邮电等都得到了大量的应用。传感器输入信号可以是模拟信号如温度、压力、电阻、电压、电流、应变等也可以是数字信号如开关状态监测、事件捕获、测频计数等，测量结果经模块内部A/D转换后用RS485通讯方式经屏蔽双绞线送至主计算机进行采集，用户可根据需要采用相应的软件对采集到的信号进行处理。133DSP技术的应用状况DSP的发展己有20年历史了,DSP芯片己达到相当高的水平，每天都有新的DSP应用产品开发成功并走向市场，成为IT产业中最活跃的领域。今天绝大部分DSP的开发工具和DSP应用产品并不是DSP芯片厂自己创造和研究，DSP芯片制造商的主要注意力放在改进芯片设计、改革制造工艺，想法提高运算速度、增加功能、降低功耗、减小成本等方面，而不可能再花大力气去从事开发工具、应用软件和实际应用系统的研发。现在国际上己形成包括DSP芯片设计、制造，DSP开发工具研制生产，应用和咨询共同组成的产业链。全球有5万多客户选用TI定制的软件开发环境，使他们能非常容易地将DSP综合到他们的系统中去。今天大多数DSP应用产品都不是DSP芯片制造商事先设计好的，很多甚至是从未想到过的，都是数以千计的小公司在寻找各种各样的商机、开发新的软件和新的产品，为今天的人类提供琳琅满目的数字化产品当前DSP主要应用己经广泛十分广泛应用于宽带INTERNET、无线通信系统、数字消费电子和汽车电子等等。而且DSP的应用领域仍在不断地扩大，发展迅速异常。134通讯技术方式针对PC机而言，主要的通讯方式有3种RS232串行总线，USE接口和并行接口，其中使用最常见，也是最方便的是前两者。1RS232串行通信总线RS232串行通信是由美国电气工业学会EIA1969年推荐的，是目前常使用的串行通信总线接口，在异步串行通信中应用最广。标准串行接口的电气特性，有满足可靠传输时的最大通信速度和传输距离指标。这两个指标之间具有相关性，适当降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。它标准的信号传输速率最高只能达到20KB/S，最大传输距离仅为15米。RS232采用与一般微处理器、单片机不同的逻辑电平。它的逻辑0规定为515V之间，逻辑1电平为515V之间。在实际应用中需要进行微处理器和RS232间信号电平的转换。2通用串行总线USB当今的计算机外部设备都在追求高速度和高通用性，为了满足用户的需求，日本NEC于1994年11月推出了USBUNIVERSALSERIALBUS通用串行总线协议的第一个草案专用于低、中速的计算机。外设USB可把多达127个，外设同时连到用户的系统上，所有的外设通过协议来共享USB的带宽其12MBPS的带宽，对于键盘、鼠标等低、中速外设是完全足够的。在2000年发布USB规范版本20中，已经将USB支持的带宽提升到480MBPSUSB允许外设在主机和其它外设工作时进行连接配置使用及移除，即所谓的即插即用PLUG测量范围有粮食存储、食品加工与存储、金属表面、药品、加工与存储、工作间卫生间、房屋建筑、大气监测等湿度测定便于远距离传感，特别适合于自动控制系统中湿度的控制和监测。241电阻式湿度传感器它是利用某些吸湿性能较好的物质吸附水汽后，其电阻率变化的原理来测定相对湿度，一般在中湿度4090RH使用电阻型湿度传感器。电阻式湿度传感器根据所用的吸湿材料来分，有固体电解质湿度传感器、高分子有机物湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器等。固体电解质湿度传感器，它在无碱玻璃衬底上涂敷氯化铿电解质组成湿敏电阻。这类传感器必须经常清污，而且耐热性能差，响应速度慢，故应用较少。高分子有机物湿度传感器，它在氧化铝基片上印刷固化了一对梳齿状金电极，金电极表面涂敷了一层感湿膜组成的。虽然结构简单，但迟滞现象严重，故使用价值不大。半导体陶瓷湿度传感器，金属氧化物半导体陶瓷材料具有线性和热稳定性好，抗污染能力强，响应时间短，寿命长，适用范围宽等优点因而这类传感器发展很快、品种多，故特别适用于湿度的半自动测量。半导体陶瓷湿度传感器有MGCR204TIO型和ZNCR204系列，国产MSC一工和MSCII型湿度传感器均属FE3O半导体陶瓷型。242电容式湿度传感器电容式湿度传感器利用某些物质吸附水汽后，其电介系数发生变化，从而引起电容量改变的原理工作。该元件的基本结构是在基片上镀上一层梳状金底部电极，再涂上高分子感湿膜，然后在膜上面镀上另一层透水性好的金膜作为部电极。有的湿度传感器再盖上一层多孔网罩以增加抗污染能力，延长使用命。早期感湿膜多采用醋酸纤维素及其衍生物。目前大多采用的是醋酸丁酸纤维素。电容型湿敏材料常见的还有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等感湿材料。这类湿度传感器近十年研究得比较活跃，其主要优点是响应时间快，滞后性小，在低湿处的灵敏度也高，稳定性好，制作简单，易于实现小型化和集成化。主要缺点是抗高湿能力差，长期稳定性有待进一步研究。电容式湿度传感器用的电介质通常有两类高分子有机介质和陶瓷。近年来，等离子体复合膜和玻璃陶瓷作为介质的电容式湿度传感器得到较快发展。在低湿度下30RH以下适用电容型湿度传感器为宜。电容式湿度传感器的感湿机理是基于电极间的高分子感湿材料吸附环境中的水分子时，其介电常数也随之变化，其电容量与环境中水蒸气相对压习PO关系可由下式表示式中为真空介电常数为相对湿度URH时高分子的介电常数；S为0U电容式传感器有效电容面积；D为高分子感湿膜厚。其中26ORUHAW2（27）10/0BUPU式中，为相对湿度0RH时高分子的介电常数A,B为常数为相对湿度URH时，高分子中吸附水的介电常数。高分子湿度传感器在结构上等同于一个变介电参数的平板电容器，当被测环境湿度变化时，感湿膜吸附水分子使电容器的介电参数增大。平板电容的数学表达式如下所示（28）KUX0（29）DSKUSDC0式中材料在不同相对湿度下的介电常数；X0RH介电常数K是常数U是相对湿度0是元件在不同相对湿度时的电容量CXS下电极面积D感湿膜厚度对于一个固定的元件，S,D均可视为常数，可以设,0（210）DSK/01DSK2所以（211）UCX2由上式可以看见，C与U呈线性关系，从而由元件电容量的大小，即可决定环境中相对湿度的大小。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、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。高分子电容型湿度传感器的典型产品有RSD2型，其响应即可测范围099RH都很好，但在高湿度情况下连续使用易于劣化。高分子电容型湿度传感器属三层式结构，即上层为方块电极金属膜层，中间是聚酞亚胺膜，下层是叉指状电极金属膜层，采用半导体硅片作为衬底材料L61薄膜电容式湿度传感器结构如图220薄膜电容式湿度传感器体积很小，高分子感湿膜很薄，并且将感湿电容制在基板上，基板起支撑感湿电容、增加机械强度的作用，可防止感湿膜伸缩及变形而使电容值发生变化，要求基板的材质对水的反应是惰性的，可用玻璃等材料制作。在基板上，利用微电子技术手段中的蒸金、光刻、腐蚀等技术，制成一对下电极。下面以聚酞亚胺膜作介质的高分子电容式湿度传感器为例介绍一下高分子电容式湿度传感器。利用了聚酞亚胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介电常数随之变化的工作原理。元件采用聚酞亚胺PI为感湿材料，是将聚酞亚胺酸PA涂在基片上，经亚胺化后制成的。吸水后，其介电常数与环境的相对湿度具有线性关系。PI本身的介电常数很小，只有293，而水的介电常数在室温时为80。已有很多理论和经验公式来描述PI和水复合物的介电性，并与试验结果作详细比较，根据LOOYENGA的半经验关系式（211）31312V式中的和分别为复合物、PI和水的介电常数，V为PI吸水的体积百分数湿度越大，PI薄膜吸附的水分子越多，V越大，复合物介电常数就增大，正是根据这一原理制成PI薄膜电容式湿度敏感元件当然，在PI薄膜吸收或放出水分子时，也会引起薄膜厚度的变化，但因PI膜很薄，薄膜厚度的变化对电容值的影响比介电常数对电容值的影响要小得多，主要是介电常数的变化引起电容值的改变聚酞亚胺是典型的高分子电容式湿度传感器，是有很大溶解性的高分子电解质，其溶液对温度、浓度及湿度都敏感，浓溶液比稀溶液稳定，可在低温下贮存较长时间。制备湿度传感器时，将聚酞亚胺调至合适浓度，成膜，并进行水环化171。而上电极的制作实际就是金属膜的制造，可以采用溅射、蒸镀化学镀、旋涂等方法，其制作工艺与半导体工艺兼容，制造工艺流程如图23清洗，氧化蒸镀下电极刻蚀下电极涂覆感湿膜刻蚀感湿膜固化感湿膜蒸镀上电极刻蚀上电极划片焊接封装初测老练测试筛产品入库图23工艺流程图243热敏电阻式绝对湿度传感器以上所述湿度传感器主要测定相对湿度。热敏电阻式绝对湿度传感器用来测定绝对湿度，它将热敏电阻的一端封入到干燥空气中，另一端暴露在大气中，水蒸汽接触到能自加热的热敏电阻，就会产生温度差输出信号。在湿度化的空气中，使用检测绝对水分量的绝对湿度传感器精度较好。25其它类湿度传感器251电磁波湿度传感器电磁波湿度传感器是利用某些物质吸附水汽后，振荡频率、传播速度、整流特性等物理性能发生变化的原理来测定相对湿度。电磁波湿度传感器有晶式、二极管型、微波式、声表面波湿度传感器等。应用于特殊领域。晶振式湿度传感器，石英振子的共振频率取决于振子的形状、切向和电等组成的负载，在电极表面上涂敷吸收湿膜，在吸附水汽后，测出频率的变即可测出相对湿度值。二极管型，由PDZNO组成的二极管型湿度传感器，整流特性随PD吸湿程度而变，类似的湿度传感器还有SDOZ湿敏二极管。微式湿度传感器，利用水汽吸收微波并使微波传输损耗发生变化的原理制成。表面波湿度传感器，将吸湿性的聚合物薄膜涂敷在SAW声表面波延时子上，利用聚合物薄膜吸收水汽使弹性波传播速度发生变化的原理制成。252吸收式湿度传感器吸收式湿度传感器是利用化学吸收剂或其它干燥剂，吸收湿气体中水蒸直到完全干燥，然后测出水分的重量即可直接求出气体的湿度。应用于湿度于10RH特殊环境中。分压式湿度传感器应用于湿度大于90RH特殊环中红外线湿度传感器广泛应用于食品加工过程。26小结本章介绍了各种传感器及其测量原理，重点阐述了电容式湿度传感器，讲述了其感湿机理，感湿材料和应用场合，同时，本章还介绍了市场上出现的各种湿度传感器，从干湿球湿度计、毛发湿度计和露点仪湿度传感器到电子式湿度传感器。随着仪器仪表向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，电子式湿度传感器愈来愈得到了广泛的应用。三方案设计及测量原理31引言高分子电容式湿度传感器生产己达到一定的规模。但要大批量生产，一个关键的限制因素是在产品生产出来之后，各项技术质量指标必须给出，这些指标决定产品的质量性能及可用性，没有这些质量技术指标产品将不被认可。但目前对这些质量技术指标的测试方法及手段存在以下几个问题1湿度源湿度发生装置昂贵，不能为普及测试提供方便及良好的条件2检测电路精度不高，易受外界散杂小电容的干扰3，手工测量，一次只能检测一个，费时费力，测试数量有限，且测试结果因人而异4测试系统与硬件的接口形式单一，不能适应计算机接口最新的发展。因此，对湿度传感器性能作出快速、准确，有效的检测是企业急待解决的问题。针对这些问题，设计目标为1提供一套高精度的湿度发生器，达到较高的性价比2硬件测试电路的将散杂电容的干扰消除到最小，电容测试引用误差达到023，实现对湿度传感器的批量测试，测试系统能够实现对32路湿度传感器的同时测量，同时在硬件测试板做少量改动的情况下，实现按需任意路数测试4测试接口32湿度传感器测量原理目前湿度传感器在生产过程中还停留在手工测试阶段，存在很多问题，本节对电容式湿度传感器进行了详细地分析，利用电容式湿度传感器的等效形式，阐述了使用复数电压法测量对湿度传感器的测量过程，建立了复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型。采用串行通信RS232接口和USB接口两方式32湿度传感器测量原理目前湿度传感器在生产过程中还停留在手工测试阶段，存在很多问题，本节对电容式湿度传感器进行了详细地分析，利用电容式湿度传感器的等效形式，阐述了使用复数电压法测量对湿度传感器的测量过程，建立了复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型。321电容式湿度传感器的等效形式及单元测量电路电容式湿度传感器在测量过程中，就相当于一个微小电容，对于电容的测量，主要涉及到两个参数，即电容值C和品质参数Q。湿度传感器并不是一个纯电容，它的等效形式如图31虚线部分所示，相当于一个电容和一个电阻的并联193湿度传感器构成的单元测量微分电路由湿度传感器ZC与反馈电阻R构成了一个有源微分电路。输入信号V。在经过该电路后受反馈电阻和湿度传感器的影响形成输出电压气U。湿度传感器的等效形式及其构成的单元测量微分电路ZC（31）XCXCJ1而（32）RVFINOUT将（31）代入（32）写可得33VXRVINCFINXFOUTJ根据上式可得（34）的实部）OUTINXFA（35）FB的虚部OUTINC令（36）XRVCXBAOUTJAB,所以由于Q（37）CX根据（36），（37）可得Q（38）AB即品质因数Q的值为微分电路输出的复数电压虚部和实部的比值。所以对Q值的测量就转换成对微分电路输出的复数电压虚部和实部的测量。322电容式湿度传感器复数电压法测量电路图32是电容式湿度传感器复数电压法测量的具体测量电路，其电路组成包括三个部分微分电路、反相电路和积分电路。正弦波发生器产生的正弦信号经过微分电路湿度传感器含在此电路中后，信号变成气，对于气的输出，分成两路，一路直接经电子开关K1后进入积分电路，另一路先经过反相电路，使得输出为。经过电子开关KZ后，也同样进入积分电路。单片机电路用来控制湿度传感器通道的切换、电子开关K1,K2的闭合与断开和积分电路数据的采集与处理等。323复数电压法电容式湿度传感器性能测试数学模型的建立如下图33是电容式湿度传感器复数电压法在上述测量电路中的波形图，A表示正弦波发生器产生的正弦波波形B表示经过微分电路后相位发生了偏移的正弦波波形,C为对电容的实部进行整流后的波形D为对电容的虚部进行整流后的波形。其中B,C,D左图为将湿度传感器等效成电容的理想情况，比偏移等于一的波形，右图为实际湿度传感器的测试结果，比偏移小于一的波形。图32电容式湿度传感器复数电压法测量电路从右图实际湿度传感器的测试结果中，可以看出，进行虚部测量时的积分区间为（0T/2），进行实部测量的积分区间为（T/43T/4）。先看实部积分的情况，输入信号，以此时间为基准，/2SINTTAVI则输出的相位延迟T/4（即），在T/4至3T/4时间内，K1导通VOUTT,2/K2断开，对输出进行积分，在3T/4至5T/4时间内，K2导通，K1断开，T对进行积分，由于和幅值相同，方向相反，所以俩个时间段的积OUTOUTT分值相同。利用积分的对称性，实部积分值为，表达式为VA（39）DTRTOUJAVCRV43/2其中积分电阻，积分电容，将式（33）式实部部分带入（3JCJ9）（310）DTVINTXFJJA43/2又带入式（310）可得TAVINS（311）43SINTJJXFATDCR根据（311）式，即可求出实部积分的值。对虚部进行积分时，只要将式（32）虚部部分带入，将积分区间改成（0T/2）即可，虚部积分值为，有VB（312）20SINTCJJFBTDXCRA此表达式即测出虚部积分的值。同时，电容量C的测量也包含在此表达式中。由于上式（312）替换为,21FC（313）20SIN4TJFBTDV令（314）20ITJJFTKCRA所以，K为常数，有（315）KB可以看出，K为常数，虚部测量和电容C成正比，对虚部电压的测量完VB成了电容值C的测量。在上面的公式推导过程中，式（311），（312）直接测出，的值，VAB根据（314）,315的公式推导，可求出电容值C，根据公式（38）Q，可求出品质参数值Q，至此，复数电压法电容式湿度传感器性能测试VAB数学模型建立完成。324基于DSP技术的复数电压法测试数学模型的应用以上是采用模拟技术完成C,Q测量的方法，高速DSP芯片的出现使我们可以运用求和运算代替上述的积分运算，采样的时间段和积分时间段相同，将积分运算转变成核心电路的内部求和运算，其结果经过修正后，即是要测量实部和虚部的值。进行虚部测量时，和上述积分时间段相同，在T/4至3T/4时间段内，对输出进行采样，在3T/4至5T/4时间内，对进行采样，由于和幅值相同，方向相反，所以两个时间段的采样值相同其表达式如下（316）NIIBBXKD12式中N总共采样的周期个数虚部测量值DB修正值单次采样结果XI由（313），（315）的推导，可得317DBCK式中电容值C的修正系数。K由式（317）可见，虚部测量值正比于电容C的值，所以由得值可BDB以完成电容值C的测量值。进行实部测量时，将采样时间的起点改在T/2时刻，在DSP控制下，在T/2至T时间段内，对输出进行采样，在T至3T/2时VOUT间内，对进行采样，由于和幅值相同，方向相反，所以两个时间段VOUTVOUTT的采样值相同，表达式和虚部测量类似。318KDNIIXNAA12式中实部测量值XI修正系数KA由式（38）可知Q，即可求出品质参数的值。DAB至此，两个参数C,Q都已求出。完成了湿度传感器的测量。33硬件模块的实现方案在本信息采集系统硬件模块中，从功能部件分，可以分为湿度源、测控电路、通信接口三个部分。从系统的角度来看，各个模块在系统中都不是相互独立的，而是一个统一的整体，在系统设计中，我们必须理清模块间的从属关系、数据流向和控制过程。如图34，以测控电路为核心，控制湿度源通道的选择，将数据采集处理后，同时将数据通过串口通讯发送到上位机湿度源模块核心测控电路模块串口通讯模块。温度源模块核心测控电路模块串口通讯模块图34硬件设计模块框图图35是使用MCU51系列单片机实现数据采集的过程，外部正弦波发生器产生的正弦波信号经过湿度传感器后，经过调试电路，送往单片机的A/D转换通道，数据采样处理后的结果经过处理后，送往串口，由上位机显示出测量值。温度源MCU51单片机串口正弦波发生器信号源图35以MCU51为核心的测量电路的实现过程图36是采用DSP为核心的测量电路框图，同上面51单片机测量过程相同，不同之处是少掉了正弦波发生器电路模块，由于DSP是高速芯片，利用同步串口送出数字正弦波数据，这个数据经过D/A转换芯片之后，产生测量所需的正弦波，这个正弦波经过湿度传感器后，再经过一系列的电路处理后，由DSP的A/D采样，数据采样处理后的结果送往串口，由上位机显示出测量值。温度源DSP处理器串口信号源信号源图36以DSP为核心的测量电路的实现过程为了实现对湿度传感器测试的高速自动化测量，需要选择适当的控制器和微处理器。考虑的问题有能否产生较好的信号源最好频率可调能否实现对连续信号的积分值的运算或可以高速的A/D采样能够实现高速测量程序存储器有着较大的空间基于以上几点考虑，选用DSP芯片，它有以下几方面的优势1利用DSP的高速接口产生正弦波，不用外加正弦波发生器，减少了误差环节2使用求和运算代替积分运算，电路设计简单，简化了固件编程的代码量3DSP本身自带32KFLASH，可扩展32K程序存储器，32K数据存储器，不用仿真，程序直接下载运行，极大地方便了固件的调试4系统模块的减少，大大提高系统的可靠性。采用了TEXASINSTRUMENTS的高速DSP处理芯片TMS320LF2407A作为主控器件，用来完成整个系统的控制、测量、运算，输出以及与上位机的通信。充分利用了高速DSP处理芯片的特点，采用DSP通过SPI串行外设接口给D/A转换芯片MAX5722发送产生正弦波所需的数据的方法来产生测试电容器件所需的正弦波，利用TMS320LF2407A自身带的A/D对加在湿度传感器的正弦信号进行高速的采样，采样频率为400KHZ。通过对不同周期的信号进行采样并作累加运算，相当于对该区间进行积分，根据前面所述测试原理即可计算出电容式湿度传感器的性能参数Q，C值。在此方案中需要重点注意的问题是对信号采样需要严格的统一起点或者起始区间。在实际的测量中，如果采样区间的不统一将造成数据有着很大的误差，甚至出现结果误判的情况。这需要严格计算程序运行的时间和对整个流程有着严格的分。34通讯方式方案选择在现代的测试系统中，依靠上位机高速的处理器和海量存储器来计算和保存数据已成为一种趋势，目前，与上位机通讯常用的通讯方式有RS232串行通信总线和通用串行总线USBUSE总线的优点如下1使用方便。连接外设不必再打开机箱允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。2速度快。接口的最高传输率可达12MB/S也可提供低速方式，速率为15MB/S。扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输，最大理论速度也能达到12MB/S和96MB/S。3连接灵活。一个USE口理论上可以连接127个USE设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用设备串行连接，也可以使用集线器HUB，把多个设备连接在一起，再同PC机的USE口相接。4，独立供电。USE接口提供了内置电源。现在越来越多的PC机上都具有了USE接口，而在本系统中，对数据的实时性有着严格的要求，而且数据量较大。USE集线器提供5V/500MA电源，足以直接支持一些小型仪器工作。它可以有效弥补了以往接口方式的不足，简了设备的连接和配置。它可以把多种外围设备连接到同一个连接器上消除系统冲突，连接简单，以较低的成本实现计算机和测控设备的连接RS232串行通信是目前使用普遍的串行通信总线接口，使用方便，价格便宜，市场占有率比较高。同时，由于TMS320LF2407A本身自带RS232串口，考虑到系统使用的灵活性，也将其放到设计之中。综上所述，结合本系统的数据传送量选用USB和RS232接口两种接口作为通讯方式，使用灵活，USB选用了PHIIP公司的PDIUSBDI2芯片，是一种比较常用的接口芯片。35总体方案设计由以上的分析，本系统的电路模块设计框图图如图37所示。现对该图做简短说明在该系统中由控制器TMS320LF2407A通过SPI给外部D/A器件MAX5722提供波形数据来产生1KHZ正弦波作为测试激励信号，由电子开关选择通道后，这个正弦波信号经过湿度传感器，再经过一系列的电路处理后，由DSP的A/D采样，完成测量的全过程。湿度源提供测试环境需要的标准湿度环境，湿度源设计的好坏直接关系到系统的精度，故须选用高精度的湿度源，减小在该环节的误差。整个系统的控制、测量以及运算由TMS320LF2407A处理。处理的结果通过串口电路传给上位机，同时接收从上位机的信息。满足了对湿度传感器的高精度和高速测量的要求。测控电路实现正弦波数字信号的传送，对传感器输入信号的检测、调理和控制功能。实现了对电容式湿度传感器C值、Q值的测量。这部分设计电路同时还要考虑对于散杂小电容干扰的消除和批量测试中通道选择的问题。TMS320LF2407ADSP核心芯片控制电路D12USB或232通讯接口电路PC机多路开关控制板温度源图37电路模版设计框图多通道湿度传感器的的自动测试，是本系统解决的关键技术之一。该项技术将解决以往湿度传感器测试过程繁琐、测试元件数量少、测试周期长的问题。对湿度源的控制和对湿度传感器的测试分开进行，增加了系统测试的复杂程度，操作人员需要手工控制湿度循环时间和湿度平衡时间，然后操作测试仪器对湿度传感器进行测试。在本系统中，利用弱电对强电的控制电路，通过计算机的控制面板，可以实现对湿度箱湿度源的自动切换，同时进行数据采集和数据传递。实际上把原来湿度箱和测试电路分离控制改进成为有控制软件统一协调，提高了自动化程度，提高了测试的效率。四湿度源设计湿度是影响我们生活环境的一个重要参数，人们越来越关注室内空气质量。适当的温湿度环境，使人们感觉舒适。过高或者过低的湿度，则会引起人们感觉不适。湿度测量为我们提供了控制这种影响的机会。一个稳定的湿度源对测试系统的好坏起着决定性的作用。41湿度的产生众所周知，空气是由氮气、氧气、二氧化碳气体及少量的稀有气体和水汽组成。一般的情况下，空气中的氮气，二氧化碳气体及稀有气体的成份比较固定，而水汽的含量则会经常变化。水汽在空气中的含量就够成了湿度我们经常说我国的北方的空气比南方的空气干燥，其实就是指南方的环境比北方的环境湿度大。湿度跟环境、地理位置等都有关系。地球的三分之二是由水组成，水是一切生物和有机体赖以生存的物质，只要有水和生物的地方，其周围的空气中或多或少的含有水汽，这是因为水可以直接从液体变化成气体，这种现象我们称之为汽化。汽化的方式有蒸发和沸腾两种，一种是气体的自由表面作为气一液的分界面的汽化过程称为蒸发，如大海、江湖、池塘等表面的汽化另一种界面在气体内部与气泡之间则成为沸腾，如开水的汽化。汽化过程与温度、压力、表面积和水中的杂质有关。温度高则汽化快，压力大则汽化慢，表面积大则汽化容易，气体中如含有油则汽化慢。在湿度测量中大多数属于蒸发过程，如干湿球湿度计，用湿球表面水分的蒸发来测量环境湿度，某些湿度发生器中制备饱和湿气的过程等等。我们此次设计也主要用此原理。空气中的水汽含量并不会因为液体的无休止的汽化而不断的增加，当气体中的水汽的浓度或密度达到一定的程度就会达到一种动态的平衡，即湿度达到饱和状态。饱和气有四种情况气体由纯水汽组成的汽一液平衡由纯水组的水汽与冰的平衡湿空气与气体水的饱和湿空气与冰的饱和。目前湿度测量多数是湿空气中的湿度，湿空气可以是看成干空气和水汽的二元混合物。千空气虽然有多种气体组成，但一般情况下，除高原干空气的二氧化碳及微量工业气体外，空气的其它成份是不随时间地点而变化的，可以把它当作一元组分来看待。因此，在研究湿空气时，往往把它看成干空气和水汽组成的二元气体混合处理，这样可以使研究方法大大的简便，且不至于造成很大的误差湿度标准也因为此法，应用干空气和水汽在一定的压力和温度下，按体积混合而成，例如，作为二级标准的湿度发生器，精度F1O和12O42湿度标准测量湿度的仪器、方法和湿度传感器种类繁多，仅从它们所依据的原理来划分就不下二、三十种，而其中又有相当一部分是以实验为依据的。显然，以实验为依据的类型必须通标准来标定过，就是对于那些具有较为坚实的理论基础的类型，要取得高的测量准确度仍需依靠基准或标准来校验。标准的作用是提供准确可靠，同时不以地域和时间为转移的量值，用以直接地或通过次级标准来标定和鉴定各种类型的测量仪器。由于现存的湿度表示方法和单位相当繁杂，同时因为湿度这个量用实物来体现比较困难，因此，迄今为止国际上关于湿度及其单位还没有统一的定义，从而也就无法根据定义来复现这个单位。目前各国使用的湿度计量标准，基本上是通过两种并行的方式来实现量值的统一。其一是建立湿度的绝对测量方法，其二是制作能够发生己知湿度气体的装置。并同时采用两种方式作为湿度计量标准，且把具有高精确度的重量法作为湿度的最高标准即基准，而把恒湿气体发生器作为传递量值的手段。在国际上，国际法制计量组织于1977年和1978年先后提出“关于气体湿度计量仪器的等级传递系统图”等有关湿度标准的三个国际提案，如图41所示。重量法是一种古老的湿度测量方法，由于科学技术的发展，随着相应的测量设备精度的提高，才逐渐发展成为一种精密的测量方法。其原理是基于干燥剂吸湿前后的重量变化。重量法给的测量值是混合比，其定义式为（41）VMTPR式中R为混合比（机水汽质量/单位干气质量）为水汽质量V由定义式可知，给出准确的R值必须选择一种高效的吸湿剂，一台具有高灵敏度和准确度的天平，并且准确地测量在温度T和压力P时的干气的体积V和密度P。除了以上要求外，重量法还具有以下特点1测量时间长，因为要有充分的吸湿时间2测量的湿度是一段时间的平均湿度，不能测量瞬时湿度3一般工业和科研精度可达1混合比，作为国家基准可达01以上。43湿度源设计湿度源的测试方法很多，从原理来说，大致可划分为五类第一类是改变已知湿度气体主要是指饱和湿气状态的方法。气体的状态是由压力、温度和体积来确定，对于饱和湿气，若改变状态，水汽含量亦随之改变。于是可以利用热力学尸、V,T关系配制出所要求的湿度气体。基于这一原理的方法有改变压力的方法，即双压法改变温度的方法，即双温法以及同时改变压力和温度的方法。第二类是混合法，它又可以分为混流法和分流法两种。前者是将饱和湿气或过热蒸汽同千气混合后者是将一股干气精确地按比例分为两股，其中一股用水汽饱和，另一股仍保持干燥，而后进行混合。第三类是膜渗透法。膜的一侧是水由于膜两侧的水汽分压不同，于是水汽通过膜向另一侧渗透。基于这一原理通常使用的方法是渗透管配气技术。第四类是湿度固定点法，即平衡水汽压法。这种方法是利用某些盐类或其它化合物如硫酸和甘油的水溶液在一定的条件下其气相中的水汽分压保持值定的原理。第五类是化学方法。根据定比定律，氢和氧在催化剂存在的情况下能按比例地化合，生成定量的水。如上所述，使用各种湿度发生器可以精确的提供所需要的湿度量值，此外，也可以利用能够产生稳定的平衡水汽压力的化学体系来达到这个目的。这两种方法各有特点。前者一般能够取得较宽的湿度范围和较高的准确度，但装置复杂，价钱昂贵，在企业中使用不现实后者相对来说准确度较低，并且只能提供固定的湿度点，却具有简易和价廉的优点，因此深受欢迎。相对湿度传感器多用于对空间静止气体的湿度进行监测和控制，因此最好采用静态法对其进行定量标定。常见的静态标定法为饱和盐溶液法。它可提供工作标准湿度。我们将用饱和食盐液法来提供工作标准湿度下面我们介绍其原理及结构。根据拉乌尔定律和享利定律，在定温和平衡条件下，溶液的组分固定，则其水汽分压为常量，而改变溶液的组分则可以获得不同的平衡水汽分压。虽然，严格来说拉乌尔定律只适用于理想的稀溶液，但推广到非理想溶液没有很大的偏差。对于非挥发性溶质，由于它的水汽压很低其浓度的变化对水汽压的影响可以忽略不计。由于在设定的温度下，对于给定的盐类，其饱和水溶液只能提供一个相对湿度点，因此，通过适当地选择数种盐就能获得不同的相对湿度。在任一温度下，饱和溶液的浓度是固定不变的，因此，在实际应用中不必确定实际浓度，而只要提供过量的溶质，溶液就能保持饱和状态，在饱和溶液中，过量的溶质呈固态，所以很容易判别溶液的饱和度。由饱和盐溶液提供的相对湿度范围可以从3到98，其准确度大约为1到3。采用这种方法，关键是要知道一些物质的湿度固定点。根据美国国家标准局NSS基本研究所的LEWISG