CN110940703A - 一种湿度测量电路和空气净化装置 - Google Patents

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魏肃
黄志强
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Abstract

本发明公开了一种湿度测量电路和空气净化装置，涉及空气净化器领域，本电路包括控制器、温度采集电路、一湿度敏感电阻和至少3个不同的分压电阻，所述湿度敏感电阻和各分压电阻分别串联形成一分压电路，所述分压电路的输入电压由控制器选通控制；所述分压电路的输出电压取自湿度敏感电阻；通过控制器的选通控制，采用针对常温常湿区间的分压电路的进行湿度敏感电阻阻值的初次检测，并根据初次检测的结果，自动对湿度敏感电阻阻值处于低温低湿区间或高温高湿区间的，进行量程扩展，采用针对低温低湿区间或高温高湿区间的分压电路进行湿度敏感电阻阻值的二次检测，以获得更准确的湿度敏感电阻的阻值，进而获得更准确的湿度值，简单易用。

Description

一种湿度测量电路和空气净化装置
技术领域
本发明涉及空气净化器领域，尤其涉及一种湿度测量电路和空气净化装置。
背景技术
由于相对湿度的变化除了随着水蒸气的含量的变化外，还和周围的温度有很大的影响，造成湿敏传感器的电阻的变化从几百欧到几千兆欧，如表1所示，这样的现象会造成高湿或者低湿的时候无法采集到。
表1：湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表(单位KΩ)
Figure BDA0002288381800000011
通常的湿度测量电路如图1所示，这样的设计在常温常湿下，能得到准确的值，但是无法有效测量低温低湿或者高温高湿环境下的值。
举例：
条件1：温度为5℃，相对湿度为10％，湿度敏感电阻R1的阻值为6000MΩ，通过公式：
Uhumi_AD＝R1/(R1+RJ2)*VCC即Uhumi_AD＝6000000/(6000000+47)*3.3V＝3.300V；
MCU采集到的AD值：AD1＝3.3/3.3*4096＝4096。
条件2：温度为5℃，相对湿度为20％，湿度敏感电阻R1的阻值为68.057MΩ，通过公式：
Uhumi_AD＝R1/(R1+RJ2)*VCC，即Uhumi_AD＝68057/(68057+47)*3.3V＝3.298V；
MCU采集到的AD值：AD1＝3.298/3.3*4096＝4093,已经接近极限值了。
在温度为5℃，相对湿度为10-20％时，MCU采集到的AD值范围为4093-4096，10个湿度值仅对应4个AD值，在该条件下，湿度的采集精度差。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种全程的湿度测量电路，提高在高温高湿环境和低温低湿环境下的湿度采集精度。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种湿度测量电路，包括控制器、温度采集电路、一湿度敏感电阻和至少3个不同的分压电阻，所述湿度敏感电阻和各分压电阻分别串联形成一分压电路，所述分压电路的输入电压由控制器选通控制；所述分压电路的输出电压取自湿度敏感电阻；所述温度采集电路用于测量当前的温度值；所述控制器执行以下步骤：
S1，根据湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表，将湿度敏感电阻的参考阻值根据大小顺序分为多个温湿度区间；
S2，选取各温湿度区间中间的湿度敏感电阻的参考阻值作为对应分压电路中分压电阻的参考值；
S3，选取处于多个温湿度区间中间的区间为第一温湿度区间，并以其对应的分压电路定义为第一分压电路；其它分压电路定义为第二分压电路；
S4，控制器选通第一分压电路，并得到第一分压电路的输出电压，从而得到湿度敏感电阻的测量阻值；
S5，当所述区间不是第一温湿度区间时，根据湿度敏感电阻的测量阻值所落的温湿度区间，控制器选通与之对应的第二分压电路，并获得并更新湿度敏感电阻的测量阻值；
S6，根据测量的温度值、湿度敏感电阻的测量阻值和所述湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表，通过查表和/或计算得到湿度值。
进一步的，在一实施例中，所述S6具体为：
根据测量的温度值和阻值，查温湿度-阻值对照表获得与测量的温度值、阻值最接近的阻值，从而获得在测量的温度值下的该阻值对应的湿度值，所述温湿度-阻值对照表为所述湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表或由温湿度-阻值特性表细化生成。
进一步的，在另一实施例中，所述S6具体为：
S61，根据所述湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表拟合温度-湿度-阻值曲线；
S62，根据测量的温度值和湿度敏感电阻的测量阻值，通过所述温度-湿度-阻值曲线得到湿度值。
进一步的，定义所述分压电路中，湿度敏感电阻和分压电阻的连接节点为分压电路的输出端，分压电路的输出端连接到控制器的AD输入端，分压电阻的另一端为分压电路的第一输入端，湿度敏感电阻的另一端为分压电路的第二输入端，当某一所述分压电路被选通时，控制器向所述分压电路的第一输出端输出方波信号，向所述分压电路的第二输入端输出反相的方波信号；当所述分压电路未被控制器选通时，控制器向所述分压电路的第一输入端输出高阻态。
进一步的，所述湿度测量电路包括三路分压电路。
进一步的，所述第一分压电路的分压电阻的阻值选择和湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表中温度20℃、湿度50％下的阻值接近的电阻。
进一步的，所述温度采集电路的测量精度为0.1℃。
进一步的，所述分压电阻的精度为1％。
进一步的，所述控制器的AD输入端的采样精度为不小于12位的AD。
本发明还提供了一种空气净化装置，所述空气净化装置设置有如上所述的湿度测量电路。
本发明实现了如下技术效果：
本发明通过由单一湿度敏感电阻构成的多路分压电路，通过控制器的选通控制，采用针对常温常湿区间的分压电路的进行湿度敏感电阻阻值的初次检测，并根据初次检测的结果，自动对湿度敏感电阻阻值处于低温低湿区间或高温高湿区间的，进行量程扩展，采用针对低温低湿区间或高温高湿区间的分压电路进行湿度敏感电阻阻值的二次检测，以获得更准确的湿度敏感电阻的阻值，进而获得更准确的湿度值。
附图说明
图1是现有的湿度测量电路；
图2是本发明的湿度测量电路。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图2所示，本发明公开了一种适用于高温高湿和低温低湿环境下的湿度测量电路的具体实施例，包括单片机U1、温度采集模块(未示出)、湿度敏感电阻hum1和分压电阻RJ2，为了得到较高的湿度精度，针对高湿和低湿的检测还增加了2个分压电阻RJ4和RJ1，湿度敏感电阻hum1和分压电阻RJ2、RJ1、RJ4构成湿度测量电路，湿度测量电路为电压采样电路，单片机U1选择性读取某一采样电路下湿度敏感电阻hum1两端的电压，从而获得湿度敏感电阻hum1的阻值，并根据读取温度值、和湿度敏感电阻hum1的阻值查表可得当前的湿度值。
在本实施例中，湿度敏感电阻Hum1的型号为HIS-06-N，分压电阻RJ4的阻值为10kΩ±1％，分压电阻RJ1的阻值为1MΩ±1％，分压电阻RJ2的阻值为47KΩ±1％。
具体电路连接关系说明：湿度敏感电阻Hum1的一端连接到单片机U1的引脚23，另一端与分压电阻RJ2、RJ1、RJ4连接，同时该连接点为采样点，连接到单片机的引脚19，标识为信号Humi-AD，分压电阻RJ2、RJ1和RJ4的另一端分别连接到单片机U1的引脚24、25、26，标识为信号Humi-pulse1、Humi-pulse2、Humi-pulse3。
在本实施例中，MCU用于采样信号Humi-AD对应的引脚具有12位的AD处理能力，AD量程为4096，对应的满量程电压为3.3V。
从表1的湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表可见，该湿度敏感电阻为负温度系数的湿度敏感电阻，在表1的左上角区间，即低温低湿区间，湿度敏感电阻的阻值很大；在表1的右下角区间，即高温高湿区间，湿度敏感电阻的阻值很小。温湿度-阻值特性表中的湿度敏感电阻的阻值为参考阻值。
在本实施例中，通过单片机U1控制，在常温常湿下，选择RJ2这一电路，获取湿度敏感电阻的测量阻值，当湿度敏感电阻的测量阻值处于低温低湿区间时，自动选择RJ1这一电路；当湿度敏感电阻的测量阻值处于高温高湿区间时，自动选择RJ4这一电路；从而获得更为准确的湿度敏感电阻的测量阻值，进而得到更为准确的湿度值。
在本实施例中，分压电阻RJ2的阻值为47kΩ，和湿度敏感电阻在温度25℃、湿度50％下的阻值45.8kΩ相当，RJ2所在的分压电路在常温常湿区间有较高的检测精度；
分压电阻RJ1的阻值为1000kΩ，和湿度敏感电阻在温度20℃、湿度30％下的阻值1130kΩ相当，RJ1所在分压电路为低温低湿区间提供较高的检测精度；为进一步提高低温低湿区间的检测精度，可加大RJ1的阻值，如将RJ1的阻值设置为10000kΩ，该阻值和湿度敏感电阻在温度温度20℃、湿度20％下的阻值10780kΩ相当，更接近低温低湿的中值区间；或在低温低湿区间设置新的分压电路，以扩大在低温低湿区间的检测精度；
同理，分压电阻RJ4的阻值设置为10kΩ，和湿度敏感电阻在温度温度20℃、湿度70％下的阻值9.6kΩ相当，RJ4所在的分压电路为高温高湿区间提供较高的检测精度；同理，为进一步提高高温高湿区间的检测精度，可减小RJ4的阻值，使之更靠近高温高湿区间的湿度敏感电阻的阻值，或在高温高湿区间设置新的分压电路，以扩大在高温高湿区间检测精度。
湿度测量流程：
(1)单片机U1先检测分压电阻RJ2这一分压电路，向Humi-pulse0和Humi-pulse1输出反相的1KHZ的方波信号，Humi-pulse2、Humi-pulse3设为高阻态；
(2)在Humi-pulse0为低电平、Humi-pulse1为高电平(3.3V)时，进行测试分压电路的输出电压UHumi-AD，进而获得信号Humi-AD的AD值；
当信号Humi-AD的电压值大于3000mV时，单片机U1自动选择检测RJ1这一分压电路，向Humi-pulse0和Humi-pulse2输出反相的1KHZ的方波信号，Humi-pulse1、Humi-pulse3设为高阻态；在Humi-pulse0为低电平、Humi-pulse2为高电平(3.3V)时，进行测试信号Humi-AD的电压值，获得信号Humi-AD的AD值；
当信号Humi-AD的电压值小于700mV时，单片机U1自动选择检测RJ4这一分压电路，将Humi-pulse0和Humi-pulse3输出为反相的1KHZ的方波信号，Humi-pulse1、Humi-pulse2设为高阻态；在Humi-pulse0为低电平、Humi-pulse3为高电平(3.3V)时，进行测试信号Humi-AD的电压值，获得信号Humi-AD的AD值。
方波的周期由所采用的湿度敏感电阻决定，在本实施例中，湿度敏感电阻为HIS-06-N，建议的测量信号为方波信号，方波信号的周期是1KHz。
本湿度测试方法也适用于正温度系数的湿度敏感电阻的阻值测量，可同样将湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表进行分区间处理，不影响测量的准确性。
仿真测试及结果：
测试条件：RJ4的阻值为10kΩ±1％，RJ1的阻值为1MΩ±1％，RJ2的阻值为47KΩ±1％。
实施例1，低温低湿下的湿度测量：
查表1可得：当温度为5℃、相对湿度为10％时，湿度敏感电阻Hum1的电阻值R1＝6000MΩ；
当温度为5℃、相对湿度为20％时，R1＝68.057MΩ；
测试条件1：温度为5℃、相对湿度为10％；
采用RJ1所在电路测试，可得：
UHumi-AD＝R1/(R1+RJ1)*VCC＝6000000/(6000000+1000)*3.3V＝3.299V；
MCU采集到的AD值：AD1＝3.299/3.3*4096＝4095；
测试条件2：温度为5℃，相对湿度为20％；
当采用RJ2所在电路测试，可得：
UHumi-AD＝R1/(R1+RJ1)*VCC即UHumi-AD＝68057/(68057+1000)*3.3V＝3.252V；
MCU采集到的AD值：AD1＝3.252/3.3*4096＝4036。
因此，当温度为5℃时，相对湿度在10％-20％之间时，湿度值对应的采样值AD为4036和4095，10个湿度值对应60个AD值，平均6个AD对应1个湿度，可得到较高的湿度精度。
进一步的，将RJ1的阻值设置为10MΩ；
则UHumi-AD＝6000000/(6000000+10000)*3.3V＝3.294V；
MCU采集到的AD值：AD1＝3.294/3.3*4096＝4089；
实施例2，高温高湿环境下的湿度测量：
查表1可得：当温度为45℃、相对湿度为95％时，R1为0.75kΩ；当温度为45℃，相对湿度为80％时，R1为R1＝1.46kΩ；此时，分压电阻选择和此时的R1可比拟的分压电阻RJ4，RJ4设定为10kΩ，从而在高湿度的局部扩展量程以获得更高的测量精度。
高湿度和低湿度的原理是一样的，当得到的AD值很小的时候，自动采用分压电阻RJ4这一分压电路，使得分压电阻RJ4和湿度敏感电阻hum1的阻值可比拟，从而可有效扩展在80％-95％湿度所对应的量程，在高湿度下得到的较高的湿度精度。
为了实现更高的精度，可在将湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表分为大于3的多个湿度区间，选通中间的温湿度区间的湿度测量电路进行湿度测量，获得湿度敏感电阻的的第一阻值；当第一阻值所在的温湿度区间超出中间的温湿度区间的准确检测范围，则进一步选通第一阻值所在的温湿度区间对应的分压电路，该分压电路有效拓展了在该区间的量程范围，从而获得更为准确的第二阻值，进而获得更为准确的湿度值。
为了保证测量的精度，所有分压电路的分压电阻均采用精度为1％的精密电阻。同时湿度对温度敏感，为获得更为准确的湿度值，本湿度测量电路的温度值的测量精度优选为0.1℃。
在厂家给出的湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表仅给出部分参考值，该值可在生产中进行验证和校验；以获得更为准确的湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表。
可根据湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表拟合生成温湿度-阻值对照表，根据测量的温度值和湿度敏感电阻的阻值，查温湿度-阻值对照表以获得最接近的湿度值。
也可根据湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表拟合出各温度下的阻值-湿度值曲线，从而根据测量的温度值、湿度敏感电阻的阻值和该温度值对应的的阻值-湿度值曲线，获得湿度值。
本发明通过由单一湿度敏感电阻构成的多路分压电路，通过控制器的选通控制，采用针对常温常湿区间的分压电路的进行湿度敏感电阻阻值的初次检测，并根据初次检测的结果，自动对湿度敏感电阻阻值处于低温低湿区间或高温高湿区间的，进行量程扩展，采用针对低温低湿区间或高温高湿区间的分压电路进行湿度敏感电阻阻值的二次检测，以获得更准确的湿度敏感电阻的阻值，进而获得更准确的湿度值。
本实施例的湿度测量电路应用于一种空气净化器，也可以用于湿度测量的一般性电子湿度仪表，通过简单的电路结构和软件控制，通过单一的湿度敏感电阻即可获得准确的湿度值，简单易用。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种湿度测量电路，其特征在于：包括控制器、温度采集电路、一湿度敏感电阻和至少3个不同的分压电阻，所述湿度敏感电阻和各分压电阻分别串联形成一分压电路，所述分压电路的输入电压由控制器选通控制；所述分压电路的输出电压取自湿度敏感电阻；所述温度采集电路用于测量当前的温度值；
所述控制器执行以下步骤：
S1，根据湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表，将湿度敏感电阻的参考阻值根据大小顺序分为多个温湿度区间；
S2，选取各温湿度区间中间的湿度敏感电阻的参考阻值作为对应分压电路中分压电阻的参考值；
S3，选取处于多个温湿度区间中间的区间为第一温湿度区间，并以其对应的分压电路定义为第一分压电路；其它分压电路定义为第二分压电路；
S4，控制器选通第一分压电路，并得到作用于湿度敏感电阻上的电压值，从而得到湿度敏感电阻的测量阻值；
S5，当所述区间不是第一温湿度区间时,根据湿度敏感电阻的测量阻值所落的温湿度区间，控制器选通与之对应的第二分压电路，获得并更新湿度敏感电阻的测量阻值；
S6，根据测量的温度值、湿度敏感电阻的测量阻值和所述湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表，通过查表和/或计算得到湿度值。
2.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于，所述S6具体为：
根据测量的温度值和湿度敏感电阻的测量阻值，查温湿度-阻值对照表获得最接近的湿度值，所述温湿度-阻值对照表为所述湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表或由温湿度-阻值特性表细化生成。
3.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于，所述S6具体为：
根据所述湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表拟合温度-湿度-阻值曲线；
根据测量的温度值和湿度敏感电阻的测量阻值，通过所述温度-湿度-阻值曲线得到湿度值。
4.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于：定义所述分压电路中，湿度敏感电阻和分压电阻的连接节点为分压电路的输出端，分压电路的输出端连接到控制器的AD输入端，分压电阻的另一端为分压电路的第一输入端，湿度敏感电阻的另一端为分压电路的第二输入端，当某一所述分压电路被选通时，控制器向所述分压电路的第一输出端输出方波信号，向所述分压电路的第二输入端输出反相的方波信号；当所述分压电路未被控制器选通时，控制器向所述分压电路的第一输入端输出高阻态。
5.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于：所述湿度测量电路包括三路分压电路。
6.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于：所述第一分压电路的分压电阻的阻值选择和湿度敏感电阻的温湿度-阻值特性表中温度20℃、湿度50％下的阻值接近的电阻。
7.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于：所述温度采集电路的测量精度为0.1℃。
8.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于：所述分压电阻的精度为1％。
9.如权利要求1所述的湿度测量电路，其特征在于：所述控制器的AD输入端的采样精度为不小于12位的AD。
10.一种空气净化装置，其特征在于：所述空气净化装置设置有如权利要求1-9任一项所述的湿度测量电路。
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