摘要：介紹了由相對濕度傳感器THS1101、半導(dǎo)體測溫器件AD590與ADuC812單片機(jī)等組成的高精度的環(huán)境溫度、相對濕度測量儀的設(shè)計(jì)，提出了實(shí)現(xiàn)環(huán)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(guān)鍵詞：濕度傳感器；溫度傳感器；單片機(jī)；儀表
0 引言
對環(huán)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(zhǔn)儀表的測量精度，無需硬件調(diào)整；
（4） 用戶可編程設(shè)定相對濕度與溫度的上、下限報(bào)警值；
（5） 可手動(dòng)或自動(dòng)記錄測量的相對濕度與溫度的結(jié)果；
（6） 用戶可編程設(shè)定手動(dòng)或定時(shí)自動(dòng)打印相對濕度與溫度的測量結(jié)果；
（7） 可直接與微機(jī)串行口連接，作環(huán)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(gè)主要功能的硬件電路的具體實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)介紹了環(huán)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(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理實(shí)現(xiàn)環(huán)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(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)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(jī)兼容的ADuC812單片機(jī)[3]，它包含了高性能的8路12位ADC、2路12位DAC、80C52MCU內(nèi)核、8KB EEPROM程序存儲(chǔ)器、640B EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和溫度傳感器等片內(nèi)資源。
溫度測量電路由半導(dǎo)體集成傳感AD590J串接一個(gè)電阻R15組成，AD590輸出電流通過電阻R15進(jìn)入模擬地，產(chǎn)生相應(yīng)的電阻電壓。電阻R15的電壓輸入到ADuC812單片機(jī)的ADC7口，A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由應(yīng)用軟件處理得到環(huán)境溫度。
相對濕度測量電路由NE555構(gòu)成的振蕩器組成，濕度傳感器THS1101的電容隨環(huán)境相對濕度的變化而變化，從而導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率變化，ADuC812單片機(jī)通過測量振蕩器輸出的振蕩頻率，經(jīng)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(bào)警信號通過ADuC812單片機(jī)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(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的功能。RS232C接口電路與PC機(jī)的串行口聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)通信功能。打印輸出接口電路與打印機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)打印功能。
2 高精度的環(huán)境溫度、相對濕度的測量方法。
2.1溫度測量及其精度調(diào)整方法
AD590是一種由所在環(huán)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(zhuǎn)換系數(shù)，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(qiáng)，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(jīng)電阻R15轉(zhuǎn)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(jī)中，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量VT。環(huán)境溫度T與VT的關(guān)系式為：
T = KT（VT-V0） （3）
式中T為實(shí)測的環(huán)境溫度值，VT為環(huán)境溫度為T時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓值，V0為環(huán)境溫度為0℃時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓值，KT為環(huán)境溫度與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)：KT = 1/( Kt·R15)。KT、V0作為參數(shù)存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)EEPROM中。根據(jù)KT、V0兩個(gè)參數(shù)的值，由上述公式即可計(jì)算出環(huán)境溫度值。
上述溫度測量方法中，KT、V0參數(shù)是影響溫度測量精度的主要因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整KT、V0參數(shù)可實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)測溫儀測量環(huán)境溫度T1，輸入本儀表，ADuC812單片機(jī)同時(shí)記錄下相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量V1。當(dāng)環(huán)境溫度從T1變化到T2時(shí)，重復(fù)以上過程，ADuC812單片機(jī)同時(shí)記錄下相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量V2。為保證校準(zhǔn)精度，環(huán)境溫度應(yīng)在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。儀表的應(yīng)用軟件根據(jù)公式：KT=（T1-T2）/（V1-V2）和V0=VT1-T1/KT計(jì)算出KT和V0 的值，并存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，既完成該儀表的溫度測量精度的校正。儀表的應(yīng)用軟件系統(tǒng)配置有專用的服務(wù)子程序完成此項(xiàng)工作，僅需按儀表的LCD顯示器的提示完成有關(guān)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(jìn)行校正。經(jīng)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(diào)整方法
相對濕度測量電路是由NE555和濕度傳感器THS1101構(gòu)成的振蕩器組成，其特點(diǎn)是測量范圍大，長期穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，溫度系數(shù)低，線性度較好，體積小。
實(shí)驗(yàn)得出振蕩電路的輸出頻率（f）與環(huán)境溫度（T）的關(guān)系曲線，如圖2所示。在環(huán)境相對濕度不變的條件下，它們是近似的線性關(guān)系，忽略非線性誤差不影響測量的精度；在不同環(huán)境相對濕度的條件下，頻率的溫度補(bǔ)償系數(shù)是不同的，相對濕度為X%RH時(shí)振蕩頻率）的溫度補(bǔ)償系數(shù)（ΔfRHX）與相對濕度為0%RH時(shí)振蕩頻率的溫度補(bǔ)償系數(shù)（Δf RH0）的關(guān)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(shí)相對濕度為0%RH的振蕩頻率，其值為7588（Hz）；fRHX是溫度為0℃時(shí)相對濕度為X%RH的振蕩頻率。
實(shí)驗(yàn)得出相對濕度（RH）與振蕩電路的輸出頻率（f）在環(huán)境溫度為25℃時(shí)的關(guān)系曲線，如圖3所示。表1給出了該關(guān)系曲線上的10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，相對濕度在20% RH—80%RH范圍內(nèi)線性度較好，兩端的線性較差。
顯然，振蕩頻率隨環(huán)境相對濕度變化是非線性的，并且受環(huán)境溫度的影響很大。采用軟件的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用軟件系統(tǒng)的時(shí)間中斷服務(wù)程序完成的，它總是把當(dāng)前的頻率值保存在AduC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)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(dāng)前的頻率值（f），接著測量環(huán)境溫度T，然后對頻率值（f）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償后的頻率值fT = f +(25－T) ·Δf RH0· (fRH/fRH0)；最后對頻率fT進(jìn)行線性化處理，計(jì)算出環(huán)境的相對濕度，結(jié)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(guān)系曲線上的10個(gè)點(diǎn)的相鄰兩點(diǎn)用直線連接，形成一條新的曲線，該曲線與實(shí)際曲線幾乎重合在一起。采用該曲線進(jìn)行軟件線性化處理，產(chǎn)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(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)EEPROM中，用于振蕩頻率（f）的溫度補(bǔ)償與線性化處理。
在上述相對濕度測量方法中，Δf RH0、fRH0參數(shù)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(dāng)?shù)卣{(diào)整可校正相對濕度測量的精度。 具體方法是：
在環(huán)境的相對濕度為0%RH時(shí)進(jìn)入本儀表的相對濕度測量精度的校正服務(wù)子程序，改變環(huán)境溫度，服務(wù)子程序自動(dòng)完成相對濕度測量精度的校準(zhǔn)。為保證校準(zhǔn)精度，環(huán)境溫度應(yīng)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(jìn)行溫度測量精度的校正，因?yàn)橄鄬穸葴y量精度的校正的精確依賴于儀表測量環(huán)境溫度的準(zhǔn)確度。其原理類似于環(huán)境溫度的校準(zhǔn)。
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(jìn)行校正。經(jīng)過校正，相對濕度的測量精度在20% RH—80%RH范圍可達(dá)1% RH以上，在0% RH—100%RH范圍可達(dá)2% RH以上。相對濕度的分辨力為0.1℅RH。
3 結(jié)束語
本文提出的實(shí)現(xiàn)溫度和相對濕度測量精度校正的軟件方法，具有實(shí)現(xiàn)簡單，調(diào)整方便，在同類儀表的開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適合于在工業(yè)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(huán)境中使用，還可以應(yīng)用于居住環(huán)境的監(jiān)測。
實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)的精確校正，可以實(shí)現(xiàn)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(jīng)過近一年的使用，性能穩(wěn)定可靠，測量精度高，智能化程度高，使用簡便，性能價(jià)格比高，受到了用戶的普遍歡迎。
