PT高精溫測(cè)量

1、 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 智能溫濕度測(cè)量記錄儀研究報(bào)告 光信息科學(xué)與技術(shù)03級(jí)3班科技創(chuàng)新小組1.研究意義現(xiàn)在的精密測(cè)量和精密加工中，環(huán)境因素是影響精度的主要因素之一，其中的溫度、濕度是環(huán)境的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。當(dāng)前，已經(jīng)開發(fā)了很多溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，一些高精度溫度傳感器的精度可到±0.01，然而價(jià)格非常昂貴，一般只作為高分辨力的精度測(cè)量和用作測(cè)溫儀器的標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于生產(chǎn)應(yīng)用中的較低精度溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，現(xiàn)有的系統(tǒng)多采用了與計(jì)算機(jī)直接結(jié)合的工作模式，增加了系統(tǒng)的成本。鑒于目前的情況，我們提出以價(jià)格低廉的單片機(jī)作為控制核心，以多個(gè)溫度、濕度傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成了低成本的智能溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。在該系

2、統(tǒng)中，根據(jù)測(cè)量空間或設(shè)備的實(shí)際需要，由多路溫度、濕度傳感器對(duì)關(guān)鍵溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由安裝于儀器內(nèi)的單片機(jī)對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)溫、濕度的智能測(cè)量。經(jīng)初步預(yù)算，該系統(tǒng)的成本僅為數(shù)百元人民幣，價(jià)格低廉。另外，該系統(tǒng)具有與計(jì)算機(jī)的通訊功能，在長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集完成后，可以將數(shù)據(jù)在傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的研究分析。因此，該系統(tǒng)即具有現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)控制的智能測(cè)量功能，又節(jié)省硬件成本。另外，我們所設(shè)計(jì)的智能溫濕度測(cè)量系統(tǒng)外形尺寸小，即可用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的測(cè)量，又可用于儀器、大型設(shè)備等的內(nèi)部環(huán)境測(cè)量。其功能如下： 1.測(cè)量空間多點(diǎn)的溫度和濕度：根據(jù)測(cè)量空間或設(shè)備的實(shí)際需要，由多路溫度、濕度傳感器對(duì)關(guān)鍵溫

3、、濕度敏感點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由安裝于儀器內(nèi)的單片機(jī)對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能、多空間點(diǎn)的測(cè)量。 2.長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)記錄功能：可以根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 3.通訊功能：與計(jì)算機(jī)通訊功能，采用RS232串行通訊方式 最遠(yuǎn)傳輸距離為20米。采用此通訊方式成本低。將采集的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，在Windows環(huán)境下通過對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出空間溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的分布情況。要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)： 測(cè)溫范圍： -20 100 測(cè)溫精度：±0.1 測(cè)濕范圍： 0100%RH 測(cè)濕精度：±3.5%RH測(cè)量?jī)x特點(diǎn)： 1 長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄 2 空

4、間溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)測(cè)量 3. 精度較高4. 價(jià)格低廉 2. 研究?jī)?nèi)容2.1 總體方案設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測(cè)量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成智能溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度信號(hào)調(diào)理電路，濕度信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換及濾波電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示電路。選用的主要器件有：溫度傳感器PT100，圖2.1 系統(tǒng)原理框圖濕度傳感器HIH-4000-1，Atmel89C52，A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器28C64或6264，液晶顯示模塊GXM12232E，模擬開關(guān)CD4051，MAX232，高精度集成運(yùn)算放大器OP07。Pt100溫度傳感器2.2 各

5、部分電路設(shè)計(jì)2.2.1溫度信號(hào)調(diào)理電路采用Pt100溫度傳感器，利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測(cè)溫，其溫度/阻值有一定的函數(shù)變化,這個(gè)溫度/阻值函數(shù)，需要用程序來實(shí)現(xiàn)。 其特點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性好，適合于較高要求的工業(yè)、計(jì)量測(cè)試等使用要求。Pt100傳感器溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為：（1）-200<t<0時(shí)，RPt100=1001+At+Bt2+Ct3（t-100）        （1）（2）0t850時(shí)，RPt100=100（1+At+Bt2）   

6、0;              （2）圖 溫度信號(hào)調(diào)理電路式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12圖2.2.1是根據(jù)所選擇的溫度傳感器而設(shè)計(jì)的調(diào)理電路。在該電路中，根據(jù)要求的溫度測(cè)量范圍-20100及ADC的滿度電壓-4.096V4.096V，將放大電路的放大倍數(shù)控制在100倍左右較為合適。這通過調(diào)節(jié)電位器W2實(shí)現(xiàn)。在0是，應(yīng)調(diào)節(jié)W1，使電橋達(dá)到平衡。HIH-4000電容式濕度傳感器2.

7、2.2濕度信號(hào)調(diào)理電路選用的濕度傳感器HIH-4000-1芯片內(nèi)具有信號(hào)處理功能，該傳感器的線性電壓輸出可直接輸入A/D中。 圖.1 濕度傳感器特性 該元件具有多層結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)環(huán)境的不利因素，像在潮濕，灰塵，污垢，油類等環(huán)境中具較強(qiáng)的抗力。 另外該傳感器還有精度高，體積小巧便于安裝，響應(yīng)時(shí)間短，互換性較好等優(yōu)點(diǎn)。 可以根據(jù)該傳感器的技術(shù)要求，由軟件來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，提高測(cè)量精度，其特性曲線。根據(jù)上述傳感器特性曲線，設(shè)計(jì)了圖2.2.2.2所示的電路圖。2.2.3濾波電路及AD轉(zhuǎn)換電路圖2.2.3.1二階低通濾波電路2.2.3.1濾波電路溫濕度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過各自的信號(hào)調(diào)理電路之后，由于元器件，

8、電纜線，電源等噪聲的干擾，輸出波形會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)置一低通濾波器，具體電路如圖所示；一般系統(tǒng)要求在較穩(wěn)定的環(huán)境下工作，信號(hào)的頻率一般在幾個(gè)赫茲以內(nèi)即可。帶通增益為1，此濾波電路的截止頻率為5HZ。2.2.3.2 AD轉(zhuǎn)換電路A/D是該系統(tǒng)中連接模擬部分和數(shù)字部分的紐帶，把傳感器部分的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成為單片機(jī)系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號(hào)?？紤]到儀器用于環(huán)境溫度變化并非劇烈的情況下，傳感器輸出信號(hào)是較穩(wěn)定的模擬信號(hào)，對(duì)ADC 的轉(zhuǎn)換速率要求不高，可以選用高精度，低噪聲，低漂移，低價(jià)格的12位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。其輸出數(shù)據(jù)為12位二進(jìn)制數(shù)，配有較強(qiáng)的接口功能，可以較方便的連接

9、各種微處理器。2.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，顯示及通信電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用容量為8K BITE的EEPROM28C64或靜態(tài)RAM6264，二者的管腳可以兼容，在此電路中最大的區(qū)別是2864具有掉電保護(hù)功能，而6264在掉電后數(shù)據(jù)丟失。對(duì)溫度濕度最后測(cè)得的數(shù)據(jù)采用液晶模塊GXM12231E來顯示，由8255A對(duì)單片機(jī)進(jìn)行I/O擴(kuò)展以后，8255A的PA口作數(shù)據(jù)口，PC口的PC4，PC5，PC6作為控制口來與GXM12231E連接，PB則作為鍵盤擴(kuò)展接口，鍵盤功能留待后續(xù)開發(fā)。通信部分采用RS232串行通信方式，采用MAX232芯片，將采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分析。這部分詳細(xì)電路見附件2

10、。2.3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的思路：開機(jī)顯示“智能溫濕度測(cè)量記錄儀”，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)的采集，處理，顯示的循環(huán)程序；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)由定時(shí)器T0中斷控制，設(shè)定在每5分鐘向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫入當(dāng)前的溫濕度采樣值；串行通信中，由T1作波特率發(fā)生器，顯現(xiàn)與PC機(jī)的通信。2.4 試驗(yàn)標(biāo)定表2.4設(shè)定溫度T/ 液晶顯示溫度t/電橋輸出電壓Ui/mV放大后輸出電壓U/V0-0.230-0.191-0.01492020.2628.8840.8953029.61013.4431.3494039.08317.9401.8015048.85622.4842.2516058.57326.9572.7027068.11031.41

11、73.1498077.65836.0583.608由于實(shí)驗(yàn)室里的條件限制，我們只能測(cè)溫部分進(jìn)行標(biāo)定。將溫度傳感器與恒溫箱內(nèi)的溫度傳感器綁在一起，屏蔽電纜盡可能地放入恒溫箱內(nèi)（屏蔽電纜的電阻隨溫度會(huì)發(fā)生變化。），在0，20，30，40，50，60，70，80幾個(gè)溫度點(diǎn)下，讀取電橋輸出電壓，以及放大后的電壓，并記錄液晶上顯示的溫度情況。每一溫度下作多組測(cè)量。求取平均值，如表2.4所示。分別以液晶顯示溫度，電橋輸出電壓，放大后輸出電壓作為自變量，設(shè)定溫度作為因變量，用Sma4軟件進(jìn)行分析，擬合出二次線性曲線，選出線性最好的一組是TU關(guān)系，如圖2.4所示 ，因此得出溫度T與溫度傳感器電路U的數(shù)學(xué)表達(dá)式為圖2.4 測(cè)量電路的溫度電壓關(guān)系3. 結(jié)論我們所設(shè)計(jì)的智能溫濕度測(cè)量系統(tǒng)外形尺寸小，即可用于實(shí)驗(yàn)室、車間、廠房環(huán)境溫濕度的測(cè)量，又可用于儀器設(shè)備等的內(nèi)部環(huán)境測(cè)量。從方案的確定，電路各部分的設(shè)計(jì)