第 25 卷 第 6 期 2006 年 6 月国 外 电 子 测 量 技 术 Fo reign Elect ro nic Measurement TechnologyVol. 25 , No . 6 J un. , 2006研究与设计高精度多功能温湿度氧浓度测量仪黄 耀 蒋亚东 谢光忠(电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件重点实验室 610054)摘 要 : 文中介绍集热敏电阻型温度传感器 ,高分子薄膜电容式湿度传感器 ,原电池型氧气传感器 , 以及高度集成化的专用芯片为后续电路 ,配以自行开发软件的智能化温湿度 、氧浓度测量仪 。该产 品性能稳定 、功耗低氧气浓度检测仪,价格低廉 ,具有精确数字显示温度 、湿度 、氧气浓度等功能 。 关键词 : 温度传感器 湿度传感器 氧气传感器 专用芯片 低功耗Development of high precision multif unction apparatus f or measuring temperature , humidity and oxygen concentrationHuang Yao J iang Yado ng Xie Guangzho ng( Key L aboratory of Elect rical Fil m an d I nte g rated Devices , Uni versit y of Elect ronic S cience & Technolog y of China , Cheng du , China , 610054)Abstract : In t his paper , a multif unctio n co mbined sensor for ho me applicatio n is int roduced. It co n2 sist s of a humidit y t ransducer based o n a capacitive humidit y sensor , a temperat ure t ransducer based o n a t hermistor sensor ,a f uel2cell o xygen sensor and a special high densit y integrated chip as t he follow2up circuit matched wit h special sof t ware. This p roduct enjoys t he characteristics of low pow2 er dissipatio n氧气浓度检测仪, low co st . Meanwhile , it has t he f unctio n of digital display of temperat ure , humidit y and o xygen co ncent ratio n. Keywords : temperature sensor , humidity sensor , oxygen sensor , special chip , low power dissipation.0 引 言对周围空气的温度 、湿度和环境空气污染的监 测与控制对提高生活质量及加强工业处理都是一个 紧迫的任务 。

当今系统越来越集成化 ,因此 ,人们对 用于检测温度 、湿度等多参数的多功能 、小尺寸的传 感器的需求大大增强[122] 。用于室内环境控制的组 合传感器正引起人们的极大兴趣 。这种传感器不仅 能检测温度 、湿度 、氧气的浓度 ,甚至以后还能检测 气流和辐射 ,从而为建立更舒适的室内生活环境 、提 高生活质量提供了监控保障 。现在 ,用于监测温度 、 湿度和各种气体的传感器及传感器系统已经达到一 个很高的技术水平[3 ] 。 多功能温湿度表是集温度测量显示 、湿度测量 显示及氧浓度测量显示于一体的集成化测量仪表 。它可广泛应用于实验室 、生产车间 、仓库 、图书馆 、办 公室和家庭等需要了解及控制温度 、湿度 、氧浓度的 场所和部门 。1 系统组成及工作过程系统由下位机 、外接传感器和接口组成 ,系统框 图如图 1 所示 ,虚线以内是下位机 , S1～ S3 分别代 表温度 、湿度和氧气传感器 。传感器输出的信号经 跟随器和多路开关 、AD 转换后 ,由单片机进行数据 采集 ,获取微环境中的温湿度 、氧浓度值 ,并显示和 存储结果 。存储器中的结果数据可通过通讯电路和 接口程序传输至 PC 机 ,建立数据库并生成最终测 量结果报表 。

由于该多功能传感器的智能化程度要求很高 , 因此需要把整个外围电路设计得较为简单 ,而以编作者简介 :黄 耀 (1981 - ) ,男 ,电子科技大学光电信息学院硕士 ,主要从事传感器处理电路研究 。24国 外 电 子 测 量 技 术制软件程序为主 ,以专用小型 CPU 微处理器为核 心 ,配合液晶显示 、电源等外围电路 ,来实现对温湿 度 、氧浓度的测量 ,这样就保证了该仪表具有较高的 可靠性 ,并使产品适合于大批量生产工艺的要求 。第 25 卷图 2 温度传感器配送电路图 1 系统框图2 传感器对环境温湿度和氧浓度进行精密测试乙醇报警器,所用传感器应具有以下特点 :(1) 几何尺寸小 ; (2) 自身发热量对监测对象温度的影响小 ; (3) 能满足信号的长距离传输 。减小传感器几何尺寸的方法 ,是在满足传感器性能指标的情况下精简电路设计和优化电路板设计 ,精选电路元器件 。为了减小传感器发热对监测对象温度的影响 ,应尽量选用低功耗的元器件 ,用小工作电 流 和 小 电 阻 的 传 感 头 , 一 般 工 作 电 流 是1mA ,还可采用传感器在非采样时刻关闭等方法 。2. 1 传感器的结构传感器由一个温度传感头 、一个湿度传感头 、一个氧气传感头及其配送电路组成 。

在低温段 ,铂金热电阻 精 度 高 , 性 能 稳 定 , 可 选 用 薄 膜 式 铂 电 阻Pt1000 作为温度传感头 ,其配送电路如图 2 所示 。桥式电路右下臂 R1 的电压输出经 U1 放大作为基准 电压 。当有电流流过铂电阻 P T 时 ,环境温度在其上感应出的电压输出至 U2 ,与 U1 的输出作差动放 大 ,经后级驱动放大后 ,传送到下位机进行 AD 转换 。其输出电压计算式为 :V out=Pt ×A ×11 Pt + 10-P1 ×A ×11 P1 + 10其中 : Pt 为铂电阻的阻值 ( kΩ) ,A 为后级放大器的放大倍数 。湿度和氧气传感头选用集成产品 ,其反应时间快 ,能直接输出直流电压信号 ,其测量精度可达 2 %。2. 2 传感器的非线性校正采用查表法来对温度湿度以及氧浓度定标 ,同时进行非线性校正 。通过实验 ,测得 - 30 ℃～70 ℃时温度的 AD 输出脉冲数 ,用软件拟合出温度～输出脉冲数的曲线 。如果想进一步提高精度 ,可进行二次及以上的曲线拟合 。将 AD 输出的脉冲数作为 偏移量 ,输出脉冲数与标准脉冲数的差值作为修正 值 ,制作成修正表放在下位机的 ROM 中 ,软件在查 表时以修正值加上当前时刻的 AD 输出作为偏移 量 , 实际测试曲线采用最小二乘法拟合对直线拟 合 ,设实际定标测试点有 n 个数据 xi , i = 1 ,2 …,n , 拟合直线方程为 y1 = cx + d 。

式中的系数 c , d 可由 下式求得 :其中 ,n∑( xi - x) ( yi - y)c= i=1 nd = y - cx∑( xi - x) 2i=1x = yi cd x =1 nin∑x=0iy=1 nin∑y=0i代入标准直线 :y2=ax+b=a( yi 2d)+by1 - y2 即是实测直线与标准直线在不同温度下差值 。对直线拟合 ,修正值的计算公式是 :Δ= N -b-a( y1 cd)其中 :N 为 AD 转换后输出的脉冲数 ,a 为标准曲线的一次系数 ,b 为标准曲线的常数 ,c 为实测曲线的一次系数 ,d 为实测曲线的常数 。实际测试点并不是全部落在拟合直线上是影响系统精度的主要因素 。温度传感器拟合直线如图 3 所示 。湿度传感器 以及氧气传感器的定标和非线性校正方法与温度传2006 年第 6 期黄 耀 等 :高精度多功能温湿度氧浓度测量仪25感器相同 。图 3 温度传感器拟合直线图3 下位机电路设计 、测量软件设计3. 1 下位机电路设计 下位机的电路主要由传感器启闭电路 、AD 转 换 、显示和键盘 、通讯等电路和数据存储器 X5045 、 单片机 A T89S52 组成 。

因传感器与下位机有较长 的距离 ,在二者之间加入了一级跟随器 。根据测量 精度要求和仪器性价比的考虑 ,选用 TL C2543 作为 AD 转换器 ,并通过串口完成与单片机的数据交换 。 3. 2 下位机软件设计 下位机软件流程图如图 4 所示 。测量软件采用 模块化设计 ,每个模块的出入口在单片机中都分配 有专门的片内存储器氧气浓度检测仪,方便了程序的维护和扩展 。 软件中共计有延时 、刷新数据 、显示 、AD 转换 、发送 数据 、读写时钟等子程序 。为了实现数据掉电保护 功能 ,下位机软件必须能区分出是掉电后开机还是 正常开机 。为此 ,从 SRAM 指定地址单元中读出掉 电保护识别码 ,与掉电保护模式数据比较 。若它们 完全匹配 ,说明是掉电后开机 ,则从 SRAM 取出掉 电前的地址指针赋给 D P TR ;否则向 SRAM 写入掉 电保护识别码 ,并赋 SRAM 首地址给 DP TR 。仅当 数据转移至 PC 机后 ,程序才主动将存放识别码的 地址单元清零 。对每一通道每次采样 10 次 ,丢弃两 头的 2 个值 ,求其平均 ,作为该次采样的最终结果 。 以减小系统随机误差 。这样就将可能出现的高低干 扰信号有效的滤除 ,实现中位滤波算法 。

4 结 论多功能温湿度 、氧浓度表具有测温 、测湿 、测浓图 4 下位机软件流程图度时间显示等功能 ,其使用灵活方便 ,产品性能稳定 可靠 ,且价格低廉 。该产品在研制开发过程中 ,解决 了功耗低 、成本低 、体积紧凑 、结构简单 、准确度高 、 标定与测量简单等技术问题 ,从而大大提高了生产 效率 ,为产品的稳定性 、适用性 、可推广性起了决定 性的作用 。参考文献[ 1 ] Malcovati , P. , et al. Combined air humidity and flow CMOS ETro sensor wit h o n2chip 15 bit sigma2delta A/ D interface [ C ] . in VL SI Circuit s , 1995. Digest of Technical Papers , 1995 Sympo sium o n. 1995.[ 2 ] Fujita ,H. Environmental senso r [ R ] . in Inst rumenta2 tio n and Measurement Technology Conference有毒气体报警器, 1994. IM TC/ 94. Conference Proceedings. 10t h Anniversary. Advanced Technologies in I & M. , 1994 IEEE. 1994.[ 3 ] Kang , J . , J . Park , and S. Mun. One2bodied humidity and temperat ure sensor having advanced linearity at low and high relative humidity range [J ] . Senso rs and Act uators B : CheETal , 2001 ,76 (123) :3222326.[ 4 ] 贾伯年 ,俞朴. 传感器技术 [ M ] . 南京 : 东南大学出版 社 ,2000.[ 5 ] 数学手册[ Z] . 北京 :高等教育出版社 ,1979. [ 6 ] 沙占友. 智能化集成温度传感器原理与应用 [ M ]. 北京 :机械工业出版社 ,2002.

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