高精度環境溫度、相對濕度測量儀的研制

介紹了由相對濕度傳感器THS1101、半導體測溫器件AD590與ADuC812單片機等組成的高精度的環境溫度、相對濕度測量儀的設計，提出了實現環境溫度、相對濕度的高精度測量及其精度校正的軟件處理方法

摘要：介紹了由相對濕度傳感器THS1101、半導體測溫器件AD590與ADuC812單片機等組成的高精度的環境溫度、相對濕度測量儀的設計，提出了實現環境溫度、相對濕度的高精度測量及其精度校正的軟件處理方法。
關鍵詞：濕度傳感器；溫度傳感器；單片機；儀表

0 引言

對環境條件要求高的場合，需要精密地測量相對濕度與溫度，為此研制了智能化的高精度的相對濕度、溫度測量儀[1,2]，其主要性能如下：
（1） 溫度測量：精度 ±1℃，分辨力 0.1℃；
（2） 相對濕度測量：精度 ±1℅RH，分辨力 0.1℅RH；
（3） 可由用戶自行校準儀表的測量精度，無需硬件調整；
（4） 用戶可編程設定相對濕度與溫度的上、下限報警值；
（5） 可手動或自動記錄測量的相對濕度與溫度的結果；
（6） 用戶可編程設定手動或定時自動打印相對濕度與溫度的測量結果；
（7） 可直接與微機串行口連接，作環境相對濕度與溫度的高精度記錄儀使用。
本文給出了測量儀的硬件電路原理圖，簡述了各個主要功能的硬件電路的具體實現。重點介紹了環境溫度的高精度測量及其精度校正的軟件處理方法和通過軟件的方法進行溫度補償和線性化處理實現環境相對濕度的高精度測量及其精度校正的方法。

1 溫度、相對濕度測量儀的實現

整個系統的電路原理如圖1所示。
溫度、相對濕度測量儀的核心部分是美國AD公司推出的與MCS51單片機兼容的ADuC812單片機[3]，它包含了高性能的8路12位ADC、2路12位DAC、80C52MCU內核、8KB EEPROM程序存儲器、640B EEPROM數據存儲器和溫度傳感器等片內資源。
溫度測量電路由半導體集成傳感AD590J串接一個電阻R15組成，AD590輸出電流通過電阻R15進入模擬地，產生相應的電阻電壓。電阻R15的電壓輸入到ADuC812單片機的ADC7口，A/D轉換為數字量，由應用軟件處理得到環境溫度。
相對濕度測量電路由NE555構成的振蕩器組成，濕度傳感器THS1101的電容隨環境相對濕度的變化而變化，從而導致振蕩器的振蕩頻率變化，ADuC812單片機通過測量振蕩器輸出的振蕩頻率，經過軟件處理后，獲得相對濕度值。
溫度與相對濕度的上、下限報警信號通過ADuC812單片機的P3.6、P3.7、P2.6、P3.7口輸出。
鍵盤輸入電路與LCD顯示電路實現人機對話的功能。RS232C接口電路與PC機的串行口聯接，實現通信功能。打印輸出接口電路與打印機連接，實現打印功能。

2 高精度的環境溫度、相對濕度的測量方法。

2.1溫度測量及其精度調整方法
AD590是一種由所在環境溫度決定的恒流輸出器件，其輸出特性為：
I=Kt·t （1）
式中I為AD590輸出電流信號，單位為1uA電流。t為絕對溫度，單位為K。Kt為轉換系數，單位為1uA/K。這種傳感器線性好，熱容量小，靈敏度度高，抗干擾能力強，測溫范圍為-55℃～+150℃。


圖1 溫度、相對濕度測量儀的電路原理圖

AD590輸出電流信號經電阻R15轉換為電壓信號，其電壓為：
V R = Kt·R15·t （2）
VR從ADC口輸入到ADuC812單片機中，進行A/D轉換成為數字量VT。環境溫度T與VT的關系式為：
T = KT（VT-V0） （3）
式中T為實測的環境溫度值，VT為環境溫度為T時A/D轉換的數字量電壓值，V0為環境溫度為0℃時A/D轉換的數字量電壓值，KT為環境溫度與A/D轉換的數字量電壓的轉換系數：KT = 1/( Kt·R15)。KT、V0作為參數存儲在ADuC812單片機的片內數據EEPROM中。根據KT、V0兩個參數的值，由上述公式即可計算出環境溫度值。
上述溫度測量方法中，KT、V0參數是影響溫度測量精度的主要因素，適當地調整KT、V0參數可實現儀表溫度測量精度的校正。 具體方法如下：
用其它更高精度標準測溫儀測量環境溫度T1，輸入本儀表，ADuC812單片機同時記錄下相應的A/D轉換的數字量V1。當環境溫度從T1變化到T2時，重復以上過程，ADuC812單片機同時記錄下相應的A/D轉換的數字量V2。為保證校準精度，環境溫度應在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。儀表的應用軟件根據公式：KT=（T1-T2）/（V1-V2）和V0=VT1-T1/KT計算出KT和V0 的值，并存儲在ADuC812單片機的EEPROM數據存儲器中，既完成該儀表的溫度測量精度的校正。儀表的應用軟件系統配置有專用的服務子程序完成此項工作，僅需按儀表的LCD顯示器的提示完成有關操作。
儀表在出廠前或使用中溫度測量精度均采用上述方法進行校正。經過精度的校正，溫度測量誤差小于1℃，分辨力小于0.1℃。
2.2 相對濕度測量及其精度調整方法
相對濕度測量電路是由NE555和濕度傳感器THS1101構成的振蕩器組成，其特點是測量范圍大，長期穩定性好，響應時間短，溫度系數低，線性度較好，體積小。
實驗得出振蕩電路的輸出頻率（f）與環境溫度（T）的關系曲線，如圖2所示。在環境相對濕度不變的條件下，它們是近似的線性關系，忽略非線性誤差不影響測量的精度；在不同環境相對濕度的條件下，頻率的溫度補償系數是不同的，相對濕度為X%RH時振蕩頻率）的溫度補償系數（ΔfRHX）與相對濕度為0%RH時振蕩頻率的溫度補償系數（Δf RH0）的關系為：
ΔfRHX=Δf RH0· (fRH/fRH0) （4）
式中Δf RH0的值為297/65（Hz/℃）；fRH0是溫度為0℃時相對濕度為0%RH的振蕩頻率，其值為7588（Hz）；fRHX是溫度為0℃時相對濕度為X%RH的振蕩頻率。


實驗得出相對濕度（RH）與振蕩電路的輸出頻率（f）在環境溫度為25℃時的關系曲線，如圖3所示。表1給出了該關系曲線上的10個點的數據。從圖3可以看出，相對濕度在20% RH—80%RH范圍內線性度較好，兩端的線性較差。


顯然，振蕩頻率隨環境相對濕度變化是非線性的，并且受環境溫度的影響很大。采用軟件的方法進行溫度補償和線性化處理，能夠實現高精度地測量相對濕度。
相對濕度測量的程序流程如圖4 所示。振蕩頻率的測量是由應用軟件系統的時間中斷服務程序完成的，它總是把當前的頻率值保存在AduC812單片機的片內數據RAM中。具體的相對濕度測量方法如下：
測量程序首先直接讀取當前的頻率值（f），接著測量環境溫度T，然后對頻率值（f）進行溫度補償，溫度補償后的頻率值fT = f +(25－T) ·Δf RH0· (fRH/fRH0)；最后對頻率fT進行線性化處理，計算出環境的相對濕度，結束一次測量過程。
為了便于軟件線性化處理，我們把圖3 所示的關系曲線上的10個點的相鄰兩點用直線連接，形成一條新的曲線，該曲線與實際曲線幾乎重合在一起。采用該曲線進行軟件線性化處理，產生的非線性誤差不影響相對濕度的測量精度。該曲線與Δf RH0、fRH0存儲在ADuC812單片機的片內數據EEPROM中，用于振蕩頻率（f）的溫度補償與線性化處理。


在上述相對濕度測量方法中，Δf RH0、fRH0參數和用于軟件線性化處理的曲線是影響相對濕度測量精度的主要因素，適當地調整可校正相對濕度測量的精度。 具體方法是：
在環境的相對濕度為0%RH時進入本儀表的相對濕度測量精度的校正服務子程序，改變環境溫度，服務子程序自動完成相對濕度測量精度的校準。為保證校準精度，環境溫度應在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。在相對濕度測量精度的校正之前，必須先進行溫度測量精度的校正，因為相對濕度測量精度的校正的精確依賴于儀表測量環境溫度的準確度。其原理類似于環境溫度的校準。
儀表在出廠前或使用中相對濕度測量精度均采用上述方法進行校正。經過校正，相對濕度的測量精度在20% RH—80%RH范圍可達1% RH以上，在0% RH—100%RH范圍可達2% RH以上。相對濕度的分辨力為0.1℅RH。
3 結束語
本文提出的實現溫度和相對濕度測量精度校正的軟件方法，具有實現簡單，調整方便，在同類儀表的開發中具有廣闊的應用前景，特別適合于在工業加工的精密測試中心以及對加工材料的存放有較高要求的環境中使用，還可以應用于居住環境的監測。
實驗結果表明：通過采用軟件的方法對影響溫度和相對濕度測量精度的參數的精確校正，可以實現對溫度、相對濕度測量的高精度測量，而且校正方便。
本儀表經過近一年的使用，性能穩定可靠，測量精度高，智能化程度高，使用簡便，性能價格比高，受到了用戶的普遍歡迎。