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文档简介
1、 仪器科学与光电工程学院 智能温湿度测量记录仪研究报告 光信息科学与技术03级3班科技创新小组1.研究意义现在的精密测量和精密加工中,环境因素是影响精度的主要因素之一,其中的温度、湿度是环境的两项主要指标。当前,已经开发了很多温湿度测量系统,一些高精度温度传感器的精度可到±0.01,然而价格非常昂贵,一般只作为高分辨力的精度测量和用作测温仪器的标准。而对于生产应用中的较低精度温湿度测量系统,现有的系统多采用了与计算机直接结合的工作模式,增加了系统的成本。鉴于目前的情况,我们提出以价格低廉的单片机作为控制核心,以多个温度、湿度传感器作为测量元件,构成了低成本的智能温湿度测量系统。在该系
2、统中,根据测量空间或设备的实际需要,由多路温度、湿度传感器对关键温度点进行测量,由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、存储,实现温、湿度的智能测量。经初步预算,该系统的成本仅为数百元人民币,价格低廉。另外,该系统具有与计算机的通讯功能,在长时间数据采集完成后,可以将数据在传送到计算机进行相关的研究分析。因此,该系统即具有现有的计算机控制的智能测量功能,又节省硬件成本。另外,我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小,即可用于实验室环境温度的测量,又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。其功能如下: 1.测量空间多点的温度和湿度:根据测量空间或设备的实际需要,由多路温度、湿度传感器对关键温
3、、湿度敏感点进行测量,由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储,实现温湿度的智能、多空间点的测量。 2.长时间测量数据记录功能:可以根据需要设置数据记录时间间隔,数据存入数据存储器。 3.通讯功能:与计算机通讯功能,采用RS232串行通讯方式 最远传输距离为20米。采用此通讯方式成本低。将采集的数据传入计算机,在Windows环境下通过对温湿度数据进行分析,得出空间温度场和湿度场的分布情况。要求达到的技术指标: 测温范围: -20 100 测温精度:±0.1 测湿范围: 0100%RH 测湿精度:±3.5%RH测量仪特点: 1 长周期数据自动记录 2 空
4、间温度场、湿度场测量 3. 精度较高4. 价格低廉 2. 研究内容2.1 总体方案设计以单片机为控制核心,采用温湿度测量,通信技术,误差修正等关键技术,以温湿度传感器作为测量元件,构成智能温湿度测量系统。该系统,可分为温度信号调理电路,湿度信号调理电路,A/D转换及滤波电路,数据存储及显示电路。选用的主要器件有:温度传感器PT100,图2.1 系统原理框图湿度传感器HIH-4000-1,Atmel89C52,A/D转换器ICL7109,数据存储器28C64或6264,液晶显示模块GXM12232E,模拟开关CD4051,MAX232,高精度集成运算放大器OP07。Pt100温度传感器2.2 各
5、部分电路设计2.2.1温度信号调理电路采用Pt100温度传感器,利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温,其温度/阻值有一定的函数变化,这个温度/阻值函数,需要用程序来实现。 其特点是精度高,稳定性好,适合于较高要求的工业、计量测试等使用要求。Pt100传感器温度/阻值对应关系为:(1)-200<t<0时,RPt100=1001+At+Bt2+Ct3(t-100) (1)(2)0t850时,RPt100=100(1+At+Bt2)
6、0; (2)图 温度信号调理电路式中,A=3.90802×10-3;B=-5.80×10-7;C=4.2735×10-12图2.2.1是根据所选择的温度传感器而设计的调理电路。在该电路中,根据要求的温度测量范围-20100及ADC的满度电压-4.096V4.096V,将放大电路的放大倍数控制在100倍左右较为合适。这通过调节电位器W2实现。在0是,应调节W1,使电桥达到平衡。HIH-4000电容式湿度传感器2.
7、2.2湿度信号调理电路选用的湿度传感器HIH-4000-1芯片内具有信号处理功能,该传感器的线性电压输出可直接输入A/D中。 图.1 湿度传感器特性 该元件具有多层结构,能适应环境的不利因素,像在潮湿,灰尘,污垢,油类等环境中具较强的抗力。 另外该传感器还有精度高,体积小巧便于安装,响应时间短,互换性较好等优点。 可以根据该传感器的技术要求,由软件来实现温度补偿,提高测量精度,其特性曲线。根据上述传感器特性曲线,设计了图2.2.2.2所示的电路图。2.2.3滤波电路及AD转换电路图2.2.3.1二阶低通滤波电路2.2.3.1滤波电路温湿度传感器的输出信号经过各自的信号调理电路之后,由于元器件,
8、电缆线,电源等噪声的干扰,输出波形会发生变化。此时可根据系统的特性设置一低通滤波器,具体电路如图所示;一般系统要求在较稳定的环境下工作,信号的频率一般在几个赫兹以内即可。带通增益为1,此滤波电路的截止频率为5HZ。2.2.3.2 AD转换电路A/D是该系统中连接模拟部分和数字部分的纽带,把传感器部分的模拟信号转变成为单片机系统所需要的数字信号。考虑到仪器用于环境温度变化并非剧烈的情况下,传感器输出信号是较稳定的模拟信号,对ADC 的转换速率要求不高,可以选用高精度,低噪声,低漂移,低价格的12位双积分式A/D转换器ICL7109。其输出数据为12位二进制数,配有较强的接口功能,可以较方便的连接
9、各种微处理器。2.2.4 数据存储,显示及通信电路数据存储选用容量为8K BITE的EEPROM28C64或静态RAM6264,二者的管脚可以兼容,在此电路中最大的区别是2864具有掉电保护功能,而6264在掉电后数据丢失。对温度湿度最后测得的数据采用液晶模块GXM12231E来显示,由8255A对单片机进行I/O扩展以后,8255A的PA口作数据口,PC口的PC4,PC5,PC6作为控制口来与GXM12231E连接,PB则作为键盘扩展接口,键盘功能留待后续开发。通信部分采用RS232串行通信方式,采用MAX232芯片,将采集的数据传送到PC机,对温湿度数据进行曲线分析。这部分详细电路见附件2
10、。2.3 软件设计软件设计的思路:开机显示“智能温湿度测量记录仪”,然后进入数据的采集,处理,显示的循环程序;数据的存储由定时器T0中断控制,设定在每5分钟向外部数据存储器写入当前的温湿度采样值;串行通信中,由T1作波特率发生器,显现与PC机的通信。2.4 试验标定表2.4设定温度T/ 液晶显示温度t/电桥输出电压Ui/mV放大后输出电压U/V0-0.230-0.191-0.01492020.2628.8840.8953029.61013.4431.3494039.08317.9401.8015048.85622.4842.2516058.57326.9572.7027068.11031.41
11、73.1498077.65836.0583.608由于实验室里的条件限制,我们只能测温部分进行标定。将温度传感器与恒温箱内的温度传感器绑在一起,屏蔽电缆尽可能地放入恒温箱内(屏蔽电缆的电阻随温度会发生变化。),在0,20,30,40,50,60,70,80几个温度点下,读取电桥输出电压,以及放大后的电压,并记录液晶上显示的温度情况。每一温度下作多组测量。求取平均值,如表2.4所示。分别以液晶显示温度,电桥输出电压,放大后输出电压作为自变量,设定温度作为因变量,用Sma4软件进行分析,拟合出二次线性曲线,选出线性最好的一组是TU关系,如图2.4所示 ,因此得出温度T与温度传感器电路U的数学表达式为图2.4 测量电路的温度电压关系3. 结论我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小,即可用于实验室、车间、厂房环境温湿度的测量,又可用于仪器设备等的内部环境测量。从方案的确定,电路各部分的设计
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