CN102589615A

CN102589615A - 电流型温湿度传感器

Info

Publication number: CN102589615A
Application number: CN2012100228945A
Authority: CN
Inventors: 高鹤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2012-07-18

Abstract

电流型温湿度传感器，其结构是由单片机处理单元A、温湿度感应电路B、温度和湿度模拟量输出电路C组成，温度监测元件和湿度监测元件分别将温度值转换为电阻值，将湿度值转换为电容值，经低通滤波等模拟电路处理后送到AD转换单元，AD转换单元输出的数字量温度信号和湿度信号交给中央处理器；由拨码开关搭建的温度校准电路单元和湿度校准单元将数字量校准信号交给中央处理器；中央处理器将采集到的温湿度值和校准值放入计算公式进行处理，包括数据有效性校验、温湿度自动补偿、非线性补偿等数字化运算；中央处理器将计算生产的温湿度信号传送给变送器，最终完成高精度温湿度值的输出。

Description

电流型温湿度传感器

技术领域：

本发明涉及一种传感器技术领域，具体地说是一种电流型温湿度传感器。

背景技术：

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。虽然现有技术的温湿度传感器种类很多但在使用中普遍存在的不足是电路设计不甚合理，主要体现在传统的温湿度传感器的输出是模拟量，必须经过A/D转换才能接到微处理器进行处理，由于模拟信号在传输过程中容易受到干扰，所以不适合多节点传感和远程传感；长期稳定性差，易受外部条件的影响，由于老化和漂移等问题，长期工作后误差较大；一致性较差。

发明内容：

本发明属于温湿度测量领域，用于对程控交换机房、医院等对温湿度要求较高的各类空气环境中进行高精度测量，根据检验报告，温度误差＜±0.2℃，湿度误差＜±1％。

本发明的目的主要是克服传统温湿度传感器在以上设计上的短缺，提供一种电路设计更加合理，高精度输出，保护更加完善，使用寿命更长的温湿度传感器。

本发明的技术方案是按以下方式实现的，温度监测元件和湿度监测元件分别将温度值转换为电阻值，将湿度值转换为电容值，经低通滤波等模拟电路处理后送到AD转换单元，AD转换单元输出的数字量温度信号和湿度信号交给中央处理器；由拨码开关搭建的温度校准电路单元和湿度校准单元将数字量校准信号交给中央处理器；中央处理器将采集到的温湿度值和校准值放入计算公式进行处理，包括数据有效性校验、温湿度自动补偿、非线性补偿等数字化运算；中央处理器将计算生产的温湿度信号传送给变送器，最终完成高精度温湿度值的输出。

本发明的电流型温湿度传感器，其结构是由单片机处理单元A、温湿度感应电路B、温度和湿度模拟量输出电路C组成，其中：单片机处理单元A由集成电路U1构成，集成电路U1的15脚接3.3V电源，5脚接地，6、7脚接晶振JZ，4脚串接电阻R3接地；电容C4、C5串接在晶振JZ两端，电容C4、C5的连接点接地；

温湿度感应电路B由集成电路U2、U3、电阻R7-R14电容C7、C8、C10组成，其中C10是湿敏电容，即湿度感应探头，R5一端接电源+5V，另一端接U2的3脚，U2的3脚还分别串电阻R7接U2的2脚，串电子R8接U2的5脚，串电阻R10接U2的14脚和4脚，电子R13与电阻R10并接，电容C7、C8并接U2的3脚与9、12脚，电子R9并接U2的5脚与9脚之间，电阻R11并接U2的9脚与14脚之间，电阻R12并接U2的8脚与14脚之间，电容10并接U2的8脚与9脚之间，电阻R6并接U2的9脚与U3的1脚之间，U3的1脚接地，U3的2脚接U1的14脚，U3的3脚接电源+5V；

温度和湿度模拟量输出电路C是由集成电路U4、U5A、U5B、U5C、U5D，三极管Q1、Q2，二极管D1、D2，电阻R13-R30，电容C9，接插件J1-J3组成，其中U5A、U5B、U5C、U5D是4个运算放大器，集成电路U4是温度传感器，U4各脚的连接方式如下：U4的1、2脚与U1的11、12脚连接，U4的4脚接插接件的2脚，8脚接电源+5V，7脚接插接件J2的2脚，6脚接电源+2V，5脚串电阻R16、R18、R21、R19、R17接插接件J2的1脚，放大器U5B管脚的连接方式是：6脚串电阻R14、电容C9接电源+5V，5脚串电阻R13接插接件J1的1脚；7脚串电阻R26接三极管Q2的基极，二极管D1接U5B的7脚与三极管Q2的发射极，U5B的5脚还串接电阻R25接插接件J3的5脚，U5B的6脚还串电阻R15、R27接插接件J3的5脚；插接件J3的4脚接电阻R14和电容C9的连接点，插接件J3的2脚接放大器U5C的8脚，电阻R29并接U5C的8脚、9脚之间，U5C的9脚还串电阻R28接电容C10和电阻R6的连接点；放大器U5D的12脚接插接件J2的3脚，13脚串电阻R22接接电容C10和电阻R6的连接点，电阻R23并接U5D的13脚与14脚之间；放大器U5A的3脚接电阻R17R19连接点，2脚接电阻R16、R18的连接点，4脚接电源+10V，11脚接地，1脚串电阻R20接三级管Q1的基极，1脚还串二极管D2接三极管Q2的发射极和电阻R18、R21的连接点，三极管Q2的集电极接电源+10V，插接件J1、J2用于进行下级电压和电流方式的选择，插接件J3与液晶显示器连接输出温湿度数据。

本发明的优点是：采用中央处理器代替传统的模拟电路构成的运算单元，实现了数据有效性校验和多种自动补偿功能，实现了温湿度值的高精度测量，解决了传统的温湿度传感器在稳定性、可靠性、测量精度等方面存在的问题，同时完善了温湿度传感器在过压过流情况下的保护能力。

附图说明：

附图1.为温湿传感器的电路原理框图

附图2为温湿传感器的电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图1和2对本发明的温湿度传感器装置作以下详细说明。

如附图1、2所示，本发明的温湿传感器是由单片机处理单元A、温湿度感应电路B、温度和湿度模拟量输出电路C组成，其中：

单片机处理单元A由集成电路U1构成，集成电路U1的15脚接3.3V电源，5脚接地，6、7脚接晶振JZ，4脚串接电阻R3接地；电容C4、C5串接在晶振JZ两端，电容C4、C5的连接点接地；

温度和湿度模拟量输出电路C是由集成电路U4、U5A、U5B、U5C、U5D，三极管Q1、Q2，二极管D1、D2，电阻R13-R30，电容C9，接插件J1-J3组成，其中U5A、U5B、U5C、U5D是4个运算放大器，集成电路U4是温度传感器，U4各脚的连接方式如下：U4的1、2脚与U1的11、12脚连接，U4的4脚接插接件的2脚，8脚接电源+5V，7脚接插接件J2的2脚，6脚接电源+2V，5脚串电阻R16、R18、R21、R19、R17接插接件J2的1脚，放大器U5B管脚的连接方式是：6脚串电阻R14、电容C9接电源+5V，5脚串电阻R13接插接件J1的1脚；7脚串电阻R26接三极管Q2的基极，二极管D1接U5B的7脚与三极管Q2的发射极，U5B的5脚还串接电阻R25接插接件J3的5脚，U5B的6脚还串电阻R15、R27接插接件J3的5脚；插接件J3的4脚接电阻R14和电容C9的连接点，插接件J3的2脚接放大器U5C的8脚，电阻R29并接U5C的8脚、9脚之间，U5C的9脚还串电阻R28接电容C10和电阻R6的连接点；放大器U5D的12脚接插接件J2的3脚，13脚串电阻R22接接电容C10和电阻R6的连接点，电阻R23并接U5D的13脚与14脚之间；放大器U5A的3脚接电阻R17R19连接点，2脚接电阻R16、R18的连接点，4脚接电源+10V，11脚接地，1脚串电阻R20接三级管Q1的基极，1脚还串二极管D2接三极管Q2的发射极和电阻R18、R21的连接点，三极管Q2的集电极接电源+10V。插接件J1、J2用于进行下级电压和电流方式的选择，插接件J3与液晶显示器连接输出温湿度数据。

电流型温湿度传感器基本原理如下：

温湿度传感器是以51单片机即集成电路U1为核心的一套检测系统，基于51单片机对数字信号的高敏感和可控性。根据现场监测范围内的温度、湿度的变化情况，实时的通过温湿度感应模块进行信号的采集并转换成电信号，再运用单片机进行数据的分析和处理。

电路包括信号采集、信号分析处理单元和信号输出三个部分组成。

1、信号采集：主要由温度感应电路和湿度感应电路组成；

湿度感应探头即湿敏电容C10，具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，湿敏电容在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

集成电路U5由四个独立的运算放大器U5A、U5B、U5C、U5D组成，利用湿敏电容C10电容量随着所测空气湿度的变化电容值随之变化，从而改变在电路中充电和放电的时间的特性，和集成电路U2、电阻R5-R14电容C7-C8构成振荡电路，输出频率值，即将湿敏电容C10的电容值变化量准确地转变为51单片机接受的信号。

温度传感器U4，超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加能力强，温度传感器U4的温度检测数据输出集中在一个芯片上直接传送给51单片机U1，

2、信号分析处理单元：单片机处理单元和一些辅助电路组成；

单片机处理单元即集成电路U1，将接收到的温度感应模块和湿度感应模块传送的数字信号进行分析和运算，最终将高精度的数字信号传送给信号输出电路C，避免了传统的温湿度传感器的输出精度主要靠电位器、可调电阻等校准，测量精度难以保证的缺点。辅助单元电路为复位电路和晶振电路，为其正常工作提供可靠的复位和时钟。

3、信号输出：D/A转换电路、变送器及电流电压保护电路、温度和湿度模拟量的输出电路组成；D/A转换电路即以集成电路U3为核心，集成电路U3是一种带有缓冲基准输入的可编程双路12位数模转换芯片，输出电压范围为基准电压的两倍，D/A转换器接收用于编程的16位字产生模拟输出，变送器根据虚短虚断的规律，将电压信号最终转化为电流信号经温度和湿度模拟量的输出电路输出。

Claims

1.电流型温湿度传感器，其特征在于，是由单片机处理单元A、温湿度感应电路B、温度和湿度模拟量输出电路C组成，其中：

温度和湿度模拟量输出电路C是由集成电路U4、U5A、U5B、U5C、U5D，三极管Q1、Q2，二极管D1、D2，电阻R13-R30，电容C9，接插件J1-J3组成，其中U5A、U5B、U5C、U5D是4个运算放大器，集成电路U4是温度传感器，U4各脚的连接方式如下：U4的1、2脚与U1的11、12脚连接，U4的4脚接插接件的2脚，8脚接电源+5V，7脚接插接件J2的2脚，6脚接电源+2V，5脚串电阻R16、R18、R21、R19、R17接插接件J2的1脚，放大器U5B管脚的连接方式是：6脚串电阻R14、电容C9接电源+5V，5脚串电阻R13接插接件J1的1脚；7脚串电阻R26接三极管Q2的基极，二极管D1接U5B的7脚与三极管Q2的发射极，U5B的5脚还串接电阻R25接插接件J3的5脚，U5B的6脚还串电阻R15、R27接插接件J3的5脚；插接件J3的4脚接电阻R14和电容C9的连接点，插接件J3的2脚接放大器U5C的8脚，电阻R29并接U5C的8脚、9脚之间，U5C的9脚还串电阻R28接电容C10和电阻R6的连接点；放大器U5D的12脚接插接件J2的3脚，13脚串电阻R22接接电容C10和电阻R6的连接点，电阻R23并接U5D的13脚与14脚之间；放大器U5A的3脚接电阻R17R19连接点，2脚接电阻R16、R18的连接点，4脚接电源+10V，11脚接地，1脚串电阻R20接三级管Q1的基极，1脚还串二极管D2接三极管Q2的发射极和电阻R18、R21的连接点，三极管Q2的集电极接电源+10V，插接件J1、J2用于进行下级电压和电流方式的选择，插接件J3与液晶显示器连接输出温湿度数据；

电流型温湿度传感器数据采集步骤如下：

温湿度传感器是以51单片机即集成电路U1为核心的一套检测系统，基于51单片机对数字信号的高敏感和可控性。根据现场监测范围内的温度、湿度的变化情况，实时的通过温湿度感应模块进行信号的采集并转换成电信号，再运用单片机进行数据的分析和处理；

1)信号采集：主要由温度感应电路和湿度感应电路组成；

湿度感应探头即湿敏电容C10，具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，湿敏电容在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大；

集成电路U5由四个独立的运算放大器U5A、U5B、U5C、U5D组成，利用湿敏电容C10电容量随着所测空气湿度的变化电容值随之变化，从而改变在电路中充电和放电的时间的特性，和集成电路U2、电阻R5-R14电容C7-C8构成振荡电路，输出频率值，即将湿敏电容C10的电容值变化量准确地转变为51单片机接受的信号；

温度传感器U4，超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加能力强，温度传感器U4的温度检测数据输出集中在一个芯片上直接传送给51单片机U1；

2)信号分析处理单元：单片机处理单元和一些辅助电路组成；

单片机处理单元即集成电路U1，将接收到的温度感应模块和湿度感应模块传送的数字信号进行分析和运算，最终将高精度的数字信号传送给信号输出电路C，避免了传统的温湿度传感器的输出精度主要靠电位器、可调电阻等校准，测量精度难以保证的缺点。辅助单元电路为复位电路和晶振电路，为其正常工作提供可靠的复位和时钟；

3)信号输出：D/A转换电路、变送器及电流电压保护电路、温度和湿度模拟量的输出电路组成；D/A转换电路即以集成电路U3为核心，集成电路U3是一种带有缓冲基准输入的可编程双路12位数模转换芯片，输出电压范围为基准电压的两倍，D/A转换器接收用于编程的16位字产生模拟输出，变送器根据虚短虚断的规律，将电压信号最终转化为电流信号经温度和湿度模拟量的输出电路输出。