CN102809589A - 一种低功耗空气湿度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗空气湿度测量方法，该方法由固定电阻与湿敏电容构成RC电路与微控制器片内的比较器以及定时器模块组成测量电路，在标准湿度环境中，分别测量在两种湿度状态下，湿敏电容充电到某个电压，微控制器片内比较器输出端产生定时器输入捕获中断时，定时器的计数值；再将湿度值与对应的计数值保存在设备的存储器中，有效的确立湿度与计数值的线性关系，从而在实际的使用中，根据所测的计数值准确的计算出测量的实际湿度值。本发明测量方法简单，成本低，功耗低，测量精度高且可根据应用需要调整精度值，能够自校正，方便温湿度仪表的工业化批量生成。

Description

一种低功耗空气湿度测量方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是一种微控制器与湿敏电容测量空气湿度的方法。

背景技术

在现实生活中，湿度的测量与工业生产、人们生活有着密切的关系。通常需要在各种环境下对湿度进行检测与分析，以便科学的研究、气象的监测、工业的控制与生产等等。通常湿度测量与记录装置需可随意放在任何环境中工作，对设备的功耗有很高的要求，如需设备在电池状态下能够正常工作数月或数年。

目前市场上的湿度测量与记录装置，主要是用微控制器与集成的传感器SHT1X，DHT1X进行湿度的测量。虽然SHT1X，DHT1X传感器可以数字化输出测量结果，精度也可达2%～5%，但是价格昂贵，一次测量时间需要几毫秒至几十毫秒，不进行测量工作时传感器也需要消耗功耗，并且每个具体型号的传感器测量湿度分辨率固定。

发明内容

针对现有的空气湿度测量与记录装置中湿度测量方法存在的不足与缺陷，本发明的目的是提供一种空气湿度测量新方法，即采用湿敏电容与微控制器相结合的空气湿度测量方法，该方法不仅可以提高测量与记录装置湿度测量精度，并可根据应用调整湿度分辨率，在不进行测量时无任何功耗，而且具有测量时间很短一般只需几百个微秒，测量功耗极低，测量方法简单、成本低的优点。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现：

一种低功耗空气湿度测量方法，该方法包括以下步骤：

1）将湿敏电容与电阻串联成一个RC电路，湿敏电容的一端接地，另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端接微控制器的一个引脚P1，用于给RC电路供电； 

2）微控制器的一个引脚P2与RC电路中湿敏电容非接地的一端相连，利用微控制器片内的比较器来设置湿敏电容充电的电压值V_c，通过微控制器控制RC电路中湿敏电容的充放电，微控制器与RC电路相连的引脚P1输出高电平实现对湿敏电容进行充电，微控制器与RC电路相连的引脚P1输出低电平实现对湿敏电容进行放电；

3）测量RC电路中湿敏电容的充电时间

i、RC电路充电前，配置微控制器片内比较器的输出触发定时器输入捕获中断，设置微控制器中比较器输出端相连的定时器时钟频率为f_TIMx，初始计数值0，同时充电前需要对湿敏电容进行完全的放电；

ii、RC电路充电时，通过微控制器片内比较器设置充电阀值电压，由于电容中的电量不可能完全放光，先设置湿敏电容一次充电过程中的一个较小的调零阀值电压V₀，当湿敏电容充电到V₀时，微控制器片内比较器会产生一次输入捕获中断，读取微控制器片内定时器的计数值Count₀，同时在中断处理函数里面修改微控制器片内比较器的阀值电压V_c，当湿敏电容继续充电到V_c时，微控制器片内比较器会再次产生输入捕获中断，读取微控制器片内定时器的计数值Count_c，电容充电到V_c时定时器的真实计数值Count=Count_c-Count₀；

iii、通过ii中的测量值计算出电容一次充电到V_c所需要的时间t，

t=Count/f_TIMx                                                    （1）

4）根据RC电路原理充电的关系式

C=-t/(R*ln(1-V_c/V))                                            （2）

以及采用电容值与湿度值成线性关系的湿敏电容的关系式

RH=K₀*C+D                                                      （3）

所以由式（1）、式（2）、式（3）可得湿度值表达为

RH =Count*（-K₀）/（(R*ln(1-V_c/V))*f_TIMx）+D                 （4）                                                

在式中，各物理量的意义为：

R为RC电路中的连接的电阻的阻值；

C为RC电路中的连接的湿敏电容的电容值；

V_c为湿敏电容两端的电压值；

V为RC电路两端的电压值，微控制器的输出电压值；

t为对湿敏电容充电到V_c时需要的时间；

f_TIMx为定时器的时钟频率；

Count₀为湿敏电容两端电压在调零电压值V₀时，定时器的计数值；

Count_c为湿敏电容两端电压达到比较器设置的比较电压时，定时器的计数值；

Count为定时器真实计数值，Count=Count_c-Count₀；

RH为空气湿度值；

K₀为电容与湿度线性关系的斜率；

D为电容与湿度线性关系的截距；

5) 湿度测量值的自校正与计算

根据步骤4）中得出的关系式，可知空气湿度值RH与微控制器片内定时器真实计数值Count成线性关系， 利用微控制器设置在标准湿度环境下分别测量湿敏电容在两种湿度RH1、RH2条件下对应的计数值Count1，Count2，并对其结果保存在微控制器内部，用RH1、Count1与RH2、Count2确定湿度值RH与计数值Count的线性方程式，再根据应用过程中实际测量的计数值Count，利用式(4)计算得到实际测量的湿度值RH。

本发明的特征在于通过将湿敏电容与电阻组成一个RC电路，通过微控制器片内比较器来设置对电容充电的合适电压值，通过设置不同电压值，微控制器片内比较器产生的定时器输入捕获记录下当时定时器计数值。通过在一次测量过程中，分别测量电容两端的零点消除电压以及实际的测量电压时定时器的计数值。利用计数值，便可由RC原理关系式以及湿敏电容与湿度的关系式，计算出空气湿度值。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：1）本发明采用常规温湿度仪表中的微控制器外加一个湿敏电容、固定电阻组成RC电路对湿度进行测量，无需使用SHT1X或DHT1X等较昂贵的传感器，极大地降低了测量仪表的成本。2）本发明只需测量充电时定时器的计数值，简化测量过程，减小产生误差的测量环节。3）本发明可根据需要调整定时器的时钟频率或RC电路中电阻的阻值，灵活的调整湿度测量的精度，可以达到高精度测量。4）由于该方法湿度值只与计数值有关，利用微控制器测量两个特定湿度值下的计数值，并存储在微控制器中，便可确立该湿敏电容测量的计数值与湿度值的线性关系，能够实现湿度值的自校正功能，方便温湿度仪表的工业化批量生成。5)本发明的测量方法测量时间很短，功耗极低，适合用于低功耗的测量与记录装置。

附图说明

图1为本发明采用带有比较器的微控制器与湿敏电容测量空气湿度的原理图；

图2 为本发明实施例的电路接线图；

图3 为本发明RC电路的充电过程曲线图；

图4 为实施例中P-14湿敏电容与湿度特性关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的原理及实施过程作进一步的说明。

实施例

参阅图2，本实施例选用微控制器STM32L152RBT6，湿度与电容值成线性关系的P-14湿敏电容C（温度为23℃、P14的容值为180pF±50pF，而其灵敏度为0.3pF/%RH），以及电阻R=2MΩ；将P-14湿敏电容C的一端接地，另一端分别与电阻R以及微控制器片内比较器COMP2的一个引脚PB4相连，电阻R的另一端连接微控制器的引脚PB3相连，用于为RC电路实现充放电功能。根据图3可知，调整电阻R的合适阻值可以调节RC电路的充放电时间。

系统时钟的精度会影响定时器时间的精确度，定时器计数的频率会影响湿度的分辨率。实施例中系统时钟采用外部的高速时钟，系统主时钟频率设置为16MHz，设置使用到的定时器2（TIM2）的时钟频率f_TIM2=16MHz，计数初始值为0，可计数到的最大值为65535。配置引脚PB4为比较器COMP2的正极输入，设置比较器的另一个引脚为比较电压阀值，比较电压的电压源应选择与RC电路供电的电压源为同一基准源，这样可以减小电压源不同由电压带来的系统误差。实施例采用微控制器STM32L152RBT6，利用微控制器片内数模转换模块DAC来设置微控制器片内比较器COMP2的比较阀值电压及设置微控制器片内比较器COMP2输出触发定时器2的输入捕获中断。

设微控制器引脚PB3输出高电平时电压为V（V=2.5伏），由于电容几乎不能彻底的放电，在一次测量中，先通过微控制器片内DAC设置比较器的一个较小比较电压值V₀=0.17*V，来减少测量时的零点误差，当电容两端的电压值达到V₀时，比较器触发定时器2的输入捕获中断，通过定时器2的中断处理函数读取出Count₀=1312，修改比较器的比较电压值为V_c=0.5*V，当湿敏电容传感器两端的电压再次达到比较电压值V_c时，触发定时器2的另一次输入捕获中断，读取出定时器的计数值Count_c=4938，计算得真实计数值Count=Count_c-Count₀=3626，连续三次测量计数出Count分别为3626、3628、3625取平均值Count=3626。比较器比较电压值的设置直接关系到计数值的稳定性,测量的精度，实验测试显示V_c值在0.3*V与0.5*V之间计数值相当稳定，测量中定时器的计数值要保证小于定时器的计数最大值。

根据设置与测量的各值及湿度与电容的关系系数K₀=1/(0.3PF/%RH)，通过(4)式计算出RH=Count*（-K₀）/（(R*ln(1-V_c/V))*f_TIM2）+D =0.0015*Count+D，可知计算值变化1，湿度值变化0.15%，测量精度可以达到0.15%。实际实用过程中根据需要调整R、f_TIM2值，以及设置适当的电容充电电压阀值，来达到应用要求的精度。

利用微控制器的应用程序设置自动校正时使用的二个湿度值RH₁=33%、RH₂=75%,以及通过RTC时钟或定时器的定时中断功能设置启动湿度测量的时间为开启自动校正功能后30分钟进行湿度RH₁的测量，再过30分钟后进行湿度RH₂的测量，并将按照前面湿度测量的方法将测得的两个Count值存储在微控制器的备份寄存器或外部Flash中，以便以后测量计算时可使用。在应用程序中同时设置一个按键来进入或退出上面的自动校正程序。按下进入自动校正程序按键，将设备放入标准的湿度环境装置中，设置湿度为RH₁，30分钟后测得计数值Count1=1492,再重新设置湿度为RH₂，又过30分钟后测得计数值Count2=3391。将Count1、Count2值保存于微控制器的备份寄存器或外部Flash中，用RH₁、Count1及RH₂、Count2两点即可确定湿度值RH与计数值Count的线性关系方程式，然后根据设备在使用的环境中测得值Count=3626，就可计算出实际的湿度值RH=80.20%。

Claims (1)

1.一种低功耗空气湿度测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）将湿敏电容与电阻串联成一个RC电路，湿敏电容的一端接地，另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端接微控制器的一个引脚P1，用于给RC电路供电； 

2）微控制器的一个引脚P2与RC电路中湿敏电容非接地的一端相连，利用微控制器片内的比较器来设置湿敏电容充电的电压值V_c，通过微控制器控制RC电路中湿敏电容的充放电，微控制器与RC电路相连的引脚P1输出高电平实现对湿敏电容进行充电，微控制器与RC电路相连的引脚P1输出低电平实现对湿敏电容进行放电；

3）测量RC电路中湿敏电容的充电时间

i、RC电路充电前，配置微控制器片内比较器的输出触发定时器输入捕获中断，设置微控制器中比较器输出端相连的定时器时钟频率为f_TIMx，初始计数值0，同时充电前需要对湿敏电容进行完全的放电；

ii、RC电路充电时，通过微控制器片内比较器设置充电阀值电压，由于电容中的电量不可能完全放光，先设置湿敏电容一次充电过程中的一个较小的调零阀值电压V₀，当湿敏电容充电到V₀时，微控制器片内比较器会产生一次输入捕获中断，读取微控制器片内定时器的计数值Count₀，同时在中断处理函数里面修改微控制器片内比较器的阀值电压V_c，当湿敏电容继续充电到V_c时，微控制器片内比较器会再次产生输入捕获中断，读取微控制器片内定时器的计数值Count_c，电容充电到V_c时定时器的真实计数值Count=Count_c-Count₀；

iii、通过ii中的测量值计算出电容一次充电到V_c所需要的时间t，

t=Count/f_TIMx                                                    （1）

4）根据RC电路原理充电的关系式

C=-t/(R*ln(1-V_c/V))                                            （2）

以及采用电容值与湿度值成线性关系的湿敏电容的关系式

RH=K₀*C+D                                                      （3）

所以由式（1）、式（2）、式（3）可得湿度值表达为

RH =Count*（-K₀）/（(R*ln(1-V_c/V))*f_TIMx）+D                  （4）    

在式中，各物理量的意义为：

R为RC电路中的连接的电阻的阻值；

C为RC电路中的连接的湿敏电容的电容值；

V_c为湿敏电容两端的电压值；

V为RC电路两端的电压值，微控制器的输出电压值；

t为对湿敏电容充电到V_c时需要的时间；

f_TIMx为定时器的时钟频率；

Count₀为湿敏电容两端电压在调零电压值V₀时，定时器的计数值；

Count_c为湿敏电容两端电压达到比较器设置的比较电压时，定时器的计数值；

Count为定时器真实计数值，Count=Count_c-Count₀；

RH为空气湿度值；

K₀为电容与湿度线性关系的斜率；

D为电容与湿度线性关系的截距；

5) 湿度测量值的自校正与计算

根据步骤4）中得出的关系式，可知空气湿度值RH与微控制器片内定时器真实计数值Count成线性关系， 利用微控制器设置在标准湿度环境下分别测量湿敏电容在两种湿度RH1、RH2条件下对应的计数值Count1，Count2，并对其结果保存在微控制器内部，用RH1、Count1与RH2、Count2确定湿度值RH与计数值Count的线性方程式，再根据应用过程中实际测量的计数值Count，利用式(4)计算得到实际测量的湿度值RH。

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