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基于STM8S单片机之湿度传感器与校检结构探讨
基于STM8S单片机之湿度传感器与校检结构探讨 1.1 引言 湿度是指大气中水分子的含量,是影响人们生产生活的一个的因素。现在, 随着科技的进步和人们生活水平的提高,湿度的测量、控制等相关技术广泛的应 用在气象、军事、农业、工业(纺织、电子、食品)、建筑、医疗、汽车、家用电 器等各个方面。随着集成电路技术的发展和材料工艺的进步,湿度传感器正从以 前简单的湿敏元件向集成化、智能化、微型化、多参数检测的集成湿度传感器方 向迅速发展。本文设计了一款 STM8S 单片机式湿度传感器,同时本文还研究了 基于 LabVIEW的用于对本文所设计的湿度传感器进行标定、在线校验、检测和 进行数据保存的校检系统。
1.2 研究背景和意义 高分子电容式湿敏元件作为第三代湿敏元件的代表,由于具有测湿范围宽、 响应速度快、温漂小、互换性好、稳定性好、使用方便等优点,已经得到了广泛 的应用,目前很多种电子式湿度传感器都采用它做湿度探头[5][6][7][8]。由于这类 湿敏元件的容值一般都很小,其信号很容易被噪声淹没,所以找到一种有效的湿度 采集处理电路是影响电子式湿度传感器品质好坏的关键因素。湿度传感器生产出 来以后,都要对其进行校验和检测。但以前手工测量的方法存在以下几个问题: (1) 一次只能检测一只传感器,检测数量有限,且检测结果因人而异;
(2)手动校验,过程 麻烦,效率低;
(3)测试的结果不能直观的显示,要录入电脑才能方便的进行数据处 理。
因此,编写一套湿度传感器校验检测系统是很有必要的。
............. 2 湿度传感器硬件原理及设计 2.1 引言 湿度传感器包含的种类很多,按输出的是模拟信号还是数字信号又可以分 为模拟湿度传感器和数字式湿度传感器。要设计一款数字式湿度传感器,首先要 做好 MCU 的选型,然后还要设计湿度采集电路和其它的一些外围电路,最后要 将它们整合成一个整体。
本章首先介绍了常用的电子式湿度传感器的硬件原理, 然后详细分析了本文湿度传感器的总体结构的设计、关键器件的选型和相关电路 的原理,最后以单片机为核心,将各个电路模块整合成了一个有机的整体,从而完成了传感器的硬件设计。
2.2 湿度传感器硬件概述 电子式湿度传感器,湿度探头将大气中的湿度转换为电容或电阻信号(一般 情况下这些信号都很微小),然后通过一些特定的电路将这些信号读取出来,转变 成外部设备可以读取的电压、电流、频率或数字逻辑信号。有的湿度传感器还带 有显示部分,可以将采集的湿度值直观的显示出来。图2-1是一般的电子式湿度传 感器的结构流程图。
通常对电阻式湿度探头的湿度信号进行采集的电路主要有 桥式电路和多谐振荡电路,对电容式探头的湿度信号进行采集的多为多谐振荡电 路。这些电路采集湿度后可以引入单片机对信号进行进一步的处理。
3 湿度传感器程序设计、温度补偿及总体实现 .................... 29 3.1 引言 .................................................... 29 3.2 湿度传感器 STM8S 单片机程序设计 ........................... 29 4 湿度传感器校检系统及传感器测试结果分析 .................... 42 4.1 引言 .................................................... 42 4.2 湿度传感器校检系统校验模块设计 ........................... 42 5 总结与展望 ............................................. 5.1 工作内容总结 ............................................ 56 5.2 论文展望 ................................................ 57 4 湿度传感器校检系统及传感器测试结果分析 4.1 引言 湿度传感器的校检系统的作用有两个,即对湿度传感器进行校验和检测。
校验就是将测量不准的湿度传感器的值进行校验,使其准确,可以用来对刚生产出 来的湿度传感器进行标定和对用了一段时间后产生了时漂的传感器进行在线校 验。检测是用来检验生产出来的湿度传感器经过标定和温度补偿后是否符合预定 的要求。整个系统由硬件和软件两个部分组成。硬件主要有研华USB4711A 数据采集卡、RS232串口线、USB转 RS232 串口线、PC 机等,软件由 LabVIEW 编 写。本章首先介绍了湿度传感器校验模块,接着介绍了湿度传感器的检测模块,最 后对湿度传感器的测试环境进行了介绍,并对由校验系统测得的数据进行了分析 处理。
4.2 湿度传感器校检系统校验模块设计 在平常的环境下,湿度不是很稳定,湿度变化范围也不可能达到很大,这就 需要我们用到精密的湿度发生器。由于一般情况下温度对湿度的影响也比较大, 所以同时也要求我们选择的湿度发生器能精确的控温,这种设备在后面的温度补 偿中也要用到。
.............. 5 总结与展望 5.1 工作内容总结 (1)针对实验室上一款模拟湿度传感器精度不高、标定和校验困难的情况, 本文设计了一款数字湿度传感器。本文的湿敏探头采用的是和上一款传感器一样 的 HS1101电容式湿度探头,由于这种探头的容值比较小,采集的时候很容易受到 外界噪声的干扰,本文选用了由集成电压比较器TLV3501 组成的多谐振荡电路 组成精密的湿度采集电路,将湿度探头的容值转变为频率信号,有效的保证了采集 的精度。湿度越大,探头的容值越大,产生的频率越低。频率通过单片机的定时器/ 计数器采集进单片机,在单片机里面经过参数运算最后赋值到 PWM 信号输出 端的占空比寄存器,通过改变单片机里面的运算参数就可以调节赋值的大小,从而 可以很方便的对传感器进行标定、校验。PWM 信号最后通过二阶有源滤波电路 变为直流信号输出。湿度传感器还带有用于温度补偿的温度信号采集功能和用于 与上位机进行通信的USART串口。
