一种多路温、湿度传感器通道选择控制器的设计

一种多路温、湿度传感器通道选择控制器的设计

温度传感器选通控制器在地面气候观测业务中，传感器实验室校正和现场校正是确保气候因素信息数据准确性的必要工作。气温传感器、地温传感器和湿传感器的应用最为广泛和数量大，对现场检查和现场校正等业务的压力很大。通常，检测装置的端口数量有限。通常，只能通过手动连接进行测试，工作量大，效率低。所以有必要研制一个能够进行多路温湿度传感器自动选通或者手动快速切换的装置,避免重新接线带来的不必要工作与不安全操作。文章叙述的一种多通道温湿度传感器选通控制器能够同时完成8路4线制铂电阻,与两路电压输出式湿度传感器的通道选择控制,适用于目前气象观测采用的PT100气温传感器、HYHMP45D型、HMP155型、HMP155A型、WUSH-TH200型等温湿度传感器的实验室校准、现场校准。选通控制器采取锂电池供电方式,使用方便快捷,具有显示屏与按钮等人机交互装置,具有8路温度输入、1路温度输出端口,2路湿度输入、1路湿度输出端口。端口自带湿度传感器驱动电压,且采用通用接口,将传感器直接插入接口,输出端连接到测试仪器即可(图1)。1信息显示模块选通控制器硬件上采用AT89S51作为核心处理器,采用LCM1602液晶显示屏作为信息显示器,可以显示目前的工作模式以及选通的硬件通道,采用3个按钮进行参数设置。内部采用8片CD4066作为8路4线制温度传感器的选通控制芯片,采用CD4052作为两路湿度传感器的信号选通控制芯片,系统设计框图如图2。2最小系统电路通道选通控制器的硬件电路包括:单片机最小系统电路、电源电路、温度信号选通电路、湿度信号选通电路、人机交互电路、蜂鸣器电路以及串口通讯电路等,其中单片机最小系统电路包括单片机正常工作所需的时钟电路与复位电路;人机交互电路主要包括LCM1602液晶显示屏驱动电路以及3个独立式参数设置按钮;蜂鸣器电路主要在进行人机交互时给予操作反馈;串口通讯电路完成与计算机串口的通信,通道选通控制器不仅可以作为单机使用,也可以拓展应用,安装到其他能够进行串口通讯控制的系统中作为辅助设备使用。2.1v锂离子蓄电池通道选择控制器采用外置12V直流电源的方式进行供电,内部安装有12V锂离子蓄电池,在正常使用时无需外接充电头,可以根据使用环境方便的移动。内部具有12V转5V电路,12V电源为湿度传感器供电(适用的湿度传感器均为12V直流供电),其他电路部分为5V直流供电。2.2位半表电阻值与温度值的转换为了测量数据的准确性,气象探测系统中采用4线制铂电阻进行温度的观测,其工作原理如图3所示,其中“*,G”端为激励源,常采用1mA恒定电流作为激励源,PT100有电流流过时会产生压降,通过仪表放大器测量“+,-”端间的电压值,即可计算出当前温度值,通过这种方式很好地避免了铂电阻接线电阻对温度值的影响。在实验室校准与现场校准时,行业内常采用6位半表作为测量仪器,6位半表具有4线制测电阻模式,同时可以设置参数进行电阻值与温度值的转换。6位半表的4线制测电阻方式与气象系统的温度测试原理相同,同样是通过输出恒定电流激励源,然后通过测试压降的方法进行测量。文中的通道选择器不需要提供恒流源,只完成通道的选择与切换。温度选通部分共8个通道,每片CD4066与一个传感器端口组成1路,如图4中的U8与CH8。每片CD4066具有4路信号输入与4路信号输出,通过选通引脚可以控制每一路的通断,此处恰好可以将一片CD4066的4路选通信号同时用于一支4线制温度传感器的信号选通,通过4路信号选通引脚相串联的方式实现一路温度传感器信号的选通,将8片CD4066输出端的相同信号相连,统一输出到同一个温度信号输出端口T_OUT。每一个温度传感器选择通道单元的选通信号通过74HC244后连接到单片机的一个引脚进行控制。在设备使用时,将6位半表的4个测试探头连接于T_OUT端口,将8路温度传感器连接于CHx端口进行测量。2.3cd4052湿度传感器为12V直流供电,由选通控制器供电。湿度传感器信号输出端为双端电压信号,两路信号恰好可以通过CD4052进行选通控制(图5)。本设备还提供了拓展端口H_OUT2,便于其他选通设备直接测量。在实际使用时,将湿度传感器直接连接于端口HCHx处,6位半表电压测试端连接于H_OUT1端口的“2,3”脚,即可进行测试。3控制模式的切换设备固件程序采用C语言在KeilARM环境中设计(图6)。选通控制器工作模式包括:温度测量手动、湿度测量手动、温度测量自动、湿度测量自动与计算机控制模式。开机后初始化设备,等待模式选择按键按下,每按下一次切换一次。当工作于手动模式时,通道的选择通过通道增减按钮决定;当工作于自动模式时,按照预设的时间间隔,通道自动切换;当工作于控制模式时,通道由计算机或其他控制设备通过RS232方式进行通道的选择控制。4被测传感器测试设备完成设计制作后,进行了实验室比对测试,分别用湖州唯立WLR-2D恒温槽发生-25.0、0.0、10.0、25.0℃4个温度值节点,用伟思富奇C.340.-70PRO型湿度发生器产生30%、50%、80%等3个标准湿度值,使用检定合格的KEITHLEY2000型6位半表读取数据,使用检定合格的高精度温度传感器与HMP155A湿度传感器作为被测传感器进行对比检测。测试时选择6位半表直连传感器测试与6位半表通过选通控制器连接传感器测试对比,每个节点测试10个数据,测试结果温度值保留小数点后1位数字,湿度值保留整数位,经过比对发现2种接线方式测试结果相同。可见选通控制器的使用在温湿度传感器校准中未带入新的误差。5解决了测量传感设备在实际业务中的问题经过仔细分析,功能需求与实际业务情况规划设计的温