CN206223321U - 一种低成本高精度的温湿压测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低成本高精度的温湿压测量电路，其技术特点是：包括微控制器、实时时钟、温度采集单元、湿度采集单元、气压采集单元和供电电池，供电电池为整个测量电路供电，微控制器与时钟单元相连接，微控制器通过两个定时器捕获通道分别与温度采集单元、湿度采集单元相连接实现温度采集和湿度采集功能，微控制器与气压采集单元相连接实现大气压力采集功能。本实用新型设计合理，尤其是将对温度传感器阻值的测量转换为对RC电路充电时间的测量；同时充分利用微控制器的片上资源及其运算能力，满足了高精度温度测量要求，提高了温湿压测量电路的抗干扰能力和温湿压测量电路的性价比，可广泛地应用在成本敏感型的温湿压测量应用中。

Description

一种低成本高精度的温湿压测量电路

技术领域

本实用新型属于电子测量技术领域，尤其是一种低成本高精度的温湿压测量电路。

背景技术

在大气探测领域，通常需要监测环境温度、环境湿度和大气压力等环境要素。而对于某些特定应用，在要求采集系统具有较好的采集精度的前提下还要严格控制成本，因而对采集系统的方案设计和器件选型都具有很高的要求。通常情况下，通过对特定传感器阻值(如热敏电阻)的测量可以得到环境温度，通过对特定传感器输出信号的频率的测量可以得到湿度。而精确地测得传感器阻值是这一系列测量中的重点和难点。由于对测量传感器阻值精度的要求较高，因此，首先采集电路本身必须具有较高的分辨率，必须具有较高的精度保证，其次在电路设计过程中要进行合理的布局与布线，把外界干扰给采集电路带来的影响降低到最小。

在测量温度时，往往采用的是“分压法”先测出电阻，然后再间接得到被测温度。传感器电阻在前端电路中进行“分压”会产生一个电压。测得这个电压后，按照一定的比例即可换算出被测电阻值。然后根据修正公式即可换算成此时测量的温度值。为了获得较好的采集精度，采集电路往往是采用具有较高精度的A/D转换器芯片，如图2所示，该温度测量电路主要由温度传感器、信号调理电路和高精度A/D转换器组成，其中信号调理电路负责将传感器输出的信号经过转换和降噪，调整为适合A/D转换器采样的信号，以保证A/D转换器采样过程中工作在最佳状态，而A/D转换器自身的精度也是该方案中的重要一环。由于目前高精度A/D转换器的成本普遍较高，以致拉高了上述技术方案的总体成本。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低成本高精度的温湿压测量电路，解决高精度环境温度、湿度及大气压力测量电路的成本问题。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种低成本高精度的温湿压测量电路，包括微控制器、实时时钟、温度采集单元、湿度采集单元、气压采集单元和供电电池，所述供电电池为整个测量电路供电，所述微控制器与时钟单元相连接，所述微控制器通过两个定时器捕获通道分别与温度采集单元、湿度采集单元相连接实现温度采集和湿度采集功能，所述微控制器与气压采集单元相连接实现大气压力采集功能。

所述温度采集单元由温度传感器、标准电阻、温度采集控制电路、阻值时间转换电路和第一定时器捕获通道构成，所述温度采集控制电路包括电子开关S1、电子开关S2和电子开关S3，所述阻值时间转换电路包括电容和电压比较器，所述第一定时器捕获通道为微控制器片上所集成；温度传感器和标准电阻分别接到电子开关S1和电子开关S2的两个触点，电子开关S1和电子开关S2的另一触点与电容连接后再接至一个电压比较器，电容的另一端接地，电子开关S3并联到电容两端，电压比较器输出端接入第一定时器捕获通道。

所述湿度采集单元由湿度传感器、湿度采集控制电路和第二定时器捕获通道构成，所述湿度采集控制电路由电子开关S4构成，所述第二定时器捕获通道为微控制器片上所集成，所述电子开关S4的一端连接湿度传感器，电子开关S4的另一端连接第二定时器捕获通道。

所述气压采集单元由气压传感器及微控制器片上SPI通信接口构成，所述气压传感器连接到微控制器SPI通信接口。

所述微控制器还通过三个A/D接口连接电池电压监测单元、板上温度监测单元和1路模拟量采集接口。

所述微控制器还通过SPI接口或UART数据接口与外部设备相连接。

所述微控制器还通过调试接口连接调试设备。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型在环境温度测量方面通过微控制器片内的定时器捕获通道进行测量，片外使用低成本元件组成的简单电路进行采集控制的方案，利用“RC充放电”电路中“充电时间”与阻值之间的关系，把“阻值测量”转化为“时间测量”，通过测得充电时间，间接得到阻值及温度值，与传统方案相比，虽然增加了部分元器件数量，但这些器件均为低成本元件，却仍可以保持相同等级的数据采集精度，提高了测量电路的性价比；在环境湿度测量方面，通过微控制器片内所集成定时器的“捕获”通道，测量出相应传感器输出信号的频率，进而计算得出湿度值；在大气压力测量方面，利用低成本的气压传感器可以独立完成气压测量工作，而后通过SPI数据通讯接口将数据传输至电路板上的微控制器，从而实现了低成本高精度的环境温度、湿度及大气压力的测量功能，在保持较高精度的条件下，合理有效地降低成本。

2、本实用新型采集速度较快，在测量过程中可以对单个采集过程进行多次采样，进而通过取其平均值的方法提高有用信号与噪音信号的比例(信噪比)，提高了信号的抗干扰能力。

3、本实用新型对温度传感器的测量具有较大的动态范围，在整个量程内可以保持相对较高的精度，能够满足大量程温度测量的要求。

4、本实用新型设计合理，尤其是将对温度传感器阻值的测量转换为对“RC电路充电时间”的测量；同时充分利用微控制器的片上资源及其运算能力，满足了高精度温度测量的设计分辨率的要求，提高了温湿压测量电路的抗干扰能力和温湿压测量电路的性价比，可广泛地应用在成本敏感型的温湿压测量应用中。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是现有的温度采集电路原理图；

图3是本实用新型的温度采集单元电路原理图；

图4是本实用新型的湿度采集单元电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种低成本高精度的温湿压测量电路，如图1所示，包括微控制器、实时时钟、温度采集单元、湿度采集单元、气压采集单元、电池电压监测单元、板上温度监测单元、1路模拟量采集接口及供电电池。所述微控制器与时钟单元相连接实现时钟计时功能，供电电池为整个测量电路供电，所述微控制器分别通过捕获通道与温度采集单元、湿度采集单元相连接实现温度采集和湿度采集功能，所述微控制器通过SPI接口与气压采集单元相连接实现大气压力采集功能，所述微控制器通过三个A/D接口与电池电压监测单元、板上温度监测单元、1路模拟量采集接口相连接，所述微控制器通过SPI接口或UART数据接口与外部设备相连接，所述微控制器还通过调试接口连接电脑或调试设备实现微控制器软件的调试及升级功能。整个温湿压测量电路集成到电路板上能够实现低成本、高精度的环境温度、环境湿度及大气压力的测量功能。

如图3所示，所述温度采集单元由温度传感器R1、标准电阻R0、温度采集控制电路、阻值时间转换电路和定时器捕获通道组成。所述温度采集控制电路包括三个电子开关S1、S2、S3，所述阻值时间转换电路由一个电容器C1和电压比较器构成；所述定时器捕获通道为微控制器片上所集成。温度传感器R1和标准电阻R0分别接到电子开关S1和S2的两个触点，S1、S2的另一触点和电容C1连接后再接至一个电压比较器，电容C1的另一端接地。电子开关S3并联到电容C1两端，S3作用是泄放掉电容C1上的电荷。电压比较器输出的脉冲信号接入定时器的捕获通道。

如图4所示，所述湿度采集单元由湿度传感器、湿度采集控制电路和定时器捕获通道构成，湿度采集控制电路由一个电子开关S4构成；定时器捕获通道为微控制器片上所集成，电子开关S4的一端连接湿度传感器，电子开关S4的另一端连接定时器捕获通道相连接。

所述气压采集单元由气压传感器及微控制器片上SPI通信接口组成。气压传感器在独立完成测量后，再通过SPI接口将采集数据传输至微控制器。

所述电池电压监测单元、板上温度监测单元和1路模拟量采集接口是使用微控制器片上集成的10位A/D转换器的3个采集通道分别采集完成的。所述电池电压检测单元是将电池电压经过一个电阻分压后连接到片上A/D转换器的1个采集通道，实现电池电压监测功能。所述板上温度监测单元是利用一个热敏型电阻的阻值温度对照关系间接测量出来的，该热敏电阻和另外一个固定阻值的电阻把电源电压进行分压后连接到片上A/D转换器的第2个采集通道，然后按照A/D转换器所测量出的电压值与电源电压的比例关系可得出热敏电阻的即时阻值，从而按阻值温度对照关系计算得出电路板表面附近的大致温度值。1路模拟量采集接口是使用微处理器A/D转换器的第3个采集通道，通过此采集通道直接测得外部其它电路板输出的一个电压值。

所述微控制器包括丰富的片上资源，在本实施例中，微控制器采用STM8S105C4T6芯片，该芯片主要包含了大容量的存储器、带有“捕获通道”的定时器、多采集通道的10位A/D转换器、SPI数据接口、UART数据接口和4线专用调试接口等资源，该芯片实现整个测量电路的核心控制功能。微处理器将各个监测单元、采集单元测得的数据进行汇集、处理后封装成数据包，并通过微控制器片上集成的SPI数据接口或UART数据接口同时传输至外部其它电路板。

本实用新型中的温度采集单元是本测量电路的关键部分。其工作原理为：首先接通电子开关S3，泄放掉C1上的电荷，这时C1上的电压Vc1＝0V；然后断开S3接通电子开关S1，使电流通过温度传感器R1对电容C1进行充电。当C1上的电压Vc1从0V升至电压比较器的门限Vt时，则触发电压比较器输出电平发生反转。充电的同时记录Vc1从0V升至Vt这段所用时间T1。而后断开S1再接通电子开关S3，泄放掉C1上的电荷，这时C1上的电压Vc1＝0V；然后断开S3接通电子开关S2，使电流通过标准电阻R0对电容C1进行充电。当C1上的电压Vc1从0V升至电压比较器的门限Vt时，则触发电压比较器输出电平发生反转。充电的同时记录Vc1从0V升至Vt这段所用时间T2。根据“RC电路充放电时间常数”的计算公式：

t＝R×C×ln[(Vc-V0)/(Vc-Vt)]

其中，t为RC电路中电容电压充至Vt时所用的时间；Vc为RC电路中电容电荷充满时所对应的电压；V0为电容在充电时的初始电压。

则有：

T1＝R1×C1×ln[(Vcc-0)/(Vcc-Vt)]

T2＝R0×C1×ln[(Vcc-0)/(Vcc-Vt)]

所以，R1/R0＝T1/T2

那么，R1＝R0×(T1/T2)

由上述可知，R1的值与R0和T1、T2有关。而R0为标准电阻，可认为其阻值基本为一定值，所以R1的测量只取决于T1、T2的测量。而对T1、T2的测量，我们以高精度的晶体振荡器为时间基准，使用定时器捕获功能通道进行自动计时，信号延迟可以被控制在“ns”级别，从而保证了T1、T2的测量精度，进而保证了R1的测量精度。求得R1之后，再根据温度传感器的“阻值--温度”曲线关系，最终得到符合精度要求的实际温度值。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (7)

1.一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：包括微控制器、实时时钟、温度采集单元、湿度采集单元、气压采集单元和供电电池，所述供电电池为整个测量电路供电，所述微控制器与时钟单元相连接，所述微控制器通过两个定时器捕获通道分别与温度采集单元、湿度采集单元相连接实现温度采集和湿度采集功能，所述微控制器与气压采集单元相连接实现大气压力采集功能。

2.根据权利要求1所述的一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：所述温度采集单元由温度传感器、标准电阻、温度采集控制电路、阻值时间转换电路和第一定时器捕获通道构成，所述温度采集控制电路包括电子开关S1、电子开关S2和电子开关S3，所述阻值时间转换电路包括电容和电压比较器，所述第一定时器捕获通道为微控制器片上所集成；温度传感器和标准电阻分别接到电子开关S1和电子开关S2的两个触点，电子开关S1和电子开关S2的另一触点与电容连接后再接至一个电压比较器，电容的另一端接地，电子开关S3并联到电容两端，电压比较器输出端接入第一定时器捕获通道。

3.根据权利要求1所述的一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：所述湿度采集单元由湿度传感器、湿度采集控制电路和第二定时器捕获通道构成，所述湿度采集控制电路由电子开关S4构成，所述第二定时器捕获通道为微控制器片上所集成，所述电子开关S4的一端连接湿度传感器，电子开关S4的另一端连接第二定时器捕获通道。

4.根据权利要求1所述的一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：所述气压采集单元由气压传感器及微控制器片上SPI通信接口构成，所述气压传感器连接到微控制器SPI通信接口。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：所述微控制器还通过三个A/D接口连接电池电压监测单元、板上温度监测单元和1路模拟量采集接口。

6.根据权利要求1至4任一项所述的一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：所述微控制器还通过SPI接口或UART数据接口与外部设备相连接。

7.根据权利要求1至4任一项所述的一种低成本高精度的温湿压测量电路，其特征在于：所述微控制器还通过调试接口连接调试设备。