电容式湿度传感器设计

2004年第23卷第9期传感器技术(JournalofTransducerTechnology)57电容式湿度传感器设计3张勃1,屈保中2(1.漯河职业技术学院计算机系,河南漯河462002;2.河南工业职业技术学院河南南阳473009)摘要:电容式湿度传感器是以高分子湿度湿敏电容器为基本感湿元件,利用单片机对测量结果进行分析处理、显示和远距离传输,测量准确度达±2.5%。关键词:电容式湿度传感器;转换电路;相对湿度中图分类号:TD67文献标识码:A文章编号:1000-9787(2004)09-0057-02DesignofcapacitivehumiditysensorZHANGBo1,QUBao2zhong2(1.DeptofComputer,LuohePolytechnicInstitute,Luohe462002,China;2.HenanPolytechnicInstitute,Hanyang473009,China)Abstract:Capacitivehumiditysensorusesmacromolecularhumiditycomponent.Thesinglechipprocessorisusedtoanalyzeresult,measurementaccuracyis±2.5%.Keywords:capacitive;;(RH)0引言[1],高分子电容式湿度传感器具有响应速度快、线性好、重复性好、测量范围宽、尺寸小等优点,但是,传感器的输出是电容值,不能直接显示和传输。为使湿度测量和控制智能化,便于总线测量,利用单片机和HART变送器设计电容式湿度传感器。对电容式湿度传感器的技术要求有:(1)准确度在2.5%以内;(2)能进行双向数字通信;(3)具有自诊断和远程诊断功能;(4)具备查询功能;(5)能高分子电容式湿度传感器属电参数型传感,其输出量为电容值,传感器的相对容值C/C0与相对湿度%RH成正比关系,受温度的影响较小。在应用中需将电容值转换为易于识别的电信号,考虑到功耗问题,转换电路采用低功耗的CMOS电路,图2是转换电路及其输出波形。保存数据。从而极大地提高了湿度测量的自动化程度,有着广阔的应用前景。1电容式湿度传感器[2,3]1.1硬件电路设计电容湿度传感器硬件电路由湿敏电容器、转换电路、E2PROM、单片机、调制解调器HT2012、带通滤波器及波形滤波器等组成,结构框图见图1。图1硬件电路Fig1Hardwarecircuit图2转换电路及其输出波形Fig2Transformationcircuitandoutputwaveformoftransformationcircuit收稿日期:2004-03-243基金项目:河南省科技攻关项目(0324210012)©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.传感器技术第23卷58图中,C为电容式湿度传感器,U1的脉冲宽度为t1=k1C1,化方法处理,对于相对湿度低于10%RH或高于90%RH的情况,也按此方法顺延推算,若测量结果按理论推算超出100%RH,则按粗大误差处理。式中t1为脉冲宽度,ms;t1为比例系数;C1为电容值,pF;U2的脉冲宽度为t2=kC=k(C0+ΔC),传感器在检测到上位机的信号后,将最近一次得测量值向上位机传送。2测试结果式中t2为脉冲宽度,ms;k为比例系数;C为湿敏电容器电容值,pF;C0为湿敏电容器在相对湿度0%RH,温度为25℃时的电容值,pF;以DM500高精度SAW湿度/露点测量仪与所设计的传感器对同一试样进行对比测量,结果见表1。表1测试数据Tab1MeasurementdatasheetΔC为湿敏电容器在相对湿度0%RH时的电容值改变量,pF。调节可变电阻器RP使得在相对湿度0%RH时(25℃),t1=t2,即k1C1=kC0,当湿度增加时,t2增加,U3理论值测试值00相对湿度(%RH)1010.030.306060.062020.050.257070.333030.040.1380201.504039.93-0.189092.202.44的脉冲宽度t3=t2-t1=kΔC,即t3与ΔC成正比,也即与相对湿度%RH成正比。通过测量脉冲宽度即可知道相对湿度的高低,利用单片机内部计数器T0,测量t3的脉冲宽度,通过查表法得到相应的相对湿度%RH。单片机采用Philips的自带FlashROM的P89C52,完成数据采样、数据分析、是HART,Bell202标准,其工作方式为半双工通信方式,工作时钟频率为460.8kHz。准确度(%)0理论值50测试值49.90准确度(%-0.20=≈±0.000015,FOSC×6553612×65536式中FOSC为晶振频率,MHz,由于δ很小,可以忽略,因此,该传感器的准确度主要取决于湿敏电容器和转换电路。从表1的测试结果可以看出:该传感器的测量准确度可达到±2.5%以内。3结论1.2湿敏电容器特性湿敏电容器的感湿材料是固态高分子聚合物,具有全互换性、在标准环境下不需校正、长时间饱和下快速脱湿、高可靠性、长时间稳定性和快速反应等特点。经测试,该智能电容式湿度传感器符合HART的技术规范,可直接挂接在通信总线上,无需考虑传感器的信号匹配问题,简化系统布线和设计,降低了成本,减少了故障率,确保可靠通信。同时,测量准确度高、抗干扰能力强、传输距离远。参考文献:[1]王岩,张福恩.现场总线的技术与发展[J].电子器件,2001,24(1):79.[2]吴道悌.非电量电测技术[M].西安:西安交通大学出版社,2001.174-182.[3]何立民.单片机高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版1.3电容式传感器数据处理通电后,传感器首先检测是否有脉冲信号及脉冲宽度是否在有效值范围内,判断前向通道工作(即湿敏电容器和转换电路工作)是否正常,实现传感器的自我诊断,不正常,则报警提示,显示出错信息。在单片机内建立湿度和脉冲宽度以及温度和修正值的真值表,其中,湿度和脉冲宽度的真值表是以DM500高精度SAW湿度/露点测量仪对所设计的传感器进行标定。根据测得的脉冲宽度通过查表方式求得相应的湿度,同时,根据测得的环境温度,查得对应的修正值,综合两项结果得到实际的湿度值,送显并保存(设定存储时间间隔)。对位于相邻两分格值之间的脉宽信号,采用小邻域内近似线性社,2000.82-96.作者简介:张勃(1956-),男,讲师,河南漯河人,从事计算机控制方面的研究。(上接第56页)[3]秦建敏,沈冰.利用水的导电特性对冰层厚度进行数字化作者简介:秦建敏(1951-),男,山西省静乐县