CN2211067Y - 二线制温湿度复合传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种二线制温湿度复合传感器。 它采用二线制，多通道调制技术，其输出频率信号能 远距离传送，且适于集中控制，同时还可配合单片机 构成的二次仪表实施智能软校准；软补偿和软线性 化。

Description

本实用新型是一种二线制温湿度复合传感器、属于仪器仪表领域、涉及测量技术。

温度与湿度是常见的物理量，在许多部门，如各类仓库、纺织、造纸、食品、医药业及宾馆、实验室等地方都涉及到，有时要求同时检测温度和湿度。目前虽然有几种温湿度仪出现，但多为三线制，并存在着体积过大；只能现场使用；不能远距离传送并对温湿度集中监控等缺陷。

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种能远距离传送温、湿度参数，且便于与智能显示仪配套的二线制温湿度复合传感器。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：它由测量电桥及放大器、电压／频率转换器、频率／电流转换器及与转换器相接的T型触发器构成。

传感器通过温敏二极管和湿敏电容测得温湿度信号，分别经放大，转换，产生频率明显差异的电流脉冲信号。当二信号电流脉冲进入T型触发器后，因T型触发器具有二选一电路功能，使传感器能用二线制来获得温湿度信号。同时，传感器与单片机构成的智能显示仪配合使用实现软补偿，软线性化和软校准，

比较现有技术，本实用新型具有以下特点：

1.采用二线制。只需使用二根导线，即可完成电源输入与温、湿度信号输出。

2.输出温，湿度频率信号，能远距离传送，且适于集中控制

3.传感器能与单片机构成的智能显示仪配合，实现智能软校准、软补偿和软线性化。

4.体积小，灵敏度高，用途广泛。

图1.本实用新型外观图。

图2.本实用新型原理框图。

图3.本实用新型的电路图。

图4.智能显示仪硬件电路图。

图5.智能处理程序图。

图6.湿敏电容温度特性。

图7.湿度校准表。

下面参照附图，对本实用新型及其使用方法作进一步的描述：

首先参照图1，本实用新型的敏感元件1暴露于机壳2外，前置防护罩3可防止测量时损坏敏感元件1；其它处理电路元器件4用仿厚膜电路工艺集成固化；尾罩5盖于机壳2尾部；另外在尾部还设有信号及电源线端子6。

参照图2，图3，虚线框中IC₁的基本功能是电压／频率转换器，利用二个输入放大器，拾取温湿度信号。

由PN结温敏二极管D_t与电阻R₃、R₄、R₅组成测量电桥。电阻R₃和R₄一端与电源连接，另一端分别与D_t和R₅相连接。D_t和R₅另一端与地端接在一起；R₃和D_t结点经R₆连接放大器A₂的反相端；R₄和R₅的结点连接A₂的同相端；R₁₀，C₁R₈和A₃的反相端连接在一起，R₇，R₉和A₃的同相端连接在一起；C₁另一端与放大器A₃输出端相连并接放大器A₄反相输入端，电阻R₁₁，R₁₂，R₁₃和放大器A₄的同相端连接在一起，电阻R₁₁另一端接电源，R₁₂另一端接地，R₁₃另一端与A₄的输出端、R₁₄和R₁₆连接，R₁₄另一端接地，R₁₆另一端与三极管T基极相连接，三极管T发射极接地，集电极与R₈、D₁相接，D₁另一端与T型触发器Q相连。

湿敏电容C_RH，电阻R_f8与放大器A₁反相端连接，R_f8另一端与A₁输出端及R₁连接，R₁另一端与A₁同相端及R₂、R₁₅和D₂连接，R₂另一端接地，R₁₅另一端接电源，D₂另一端与T型触发器

相连接。A₁和C_RH，R₁，R₂，R_f1组成一个自激多谐振荡器。

虚线框中IC₂是一个T触发器，D端和

端，R₁₉相连，R₁₉另一端与R₁₇、D₄阴极、D₃阳极相连接电源，D₃阴极与C₂，D触发器的电源端相连，C₂另一端接地。R₁₇另一端和D₄阳极，R₁₈相连并接D触发器的CP端，R₁₈另一端接地。

工作时，温敏二极管D_t与R₃、R₄、R₅组成的测量电桥拾取了D_t的－2.4mv／℃温度信号后，经A₂反相放大送电压／频率转换器，再经频率／电流转换为电流脉冲含于电源中；湿敏电容C_RH和R₁，R₂，R_f1，A₁组成的自激多谐振荡器将湿度信号经频率／电流转换为电流脉冲信号也含于电源中。其频率

$\mathrm{F=}\frac{1}{{\mathrm{2R}}_{\mathrm{f\; 1}}{C}_{\mathrm{RH}}\mathrm{In(1\; +}\frac{{\mathrm{2R}}_2}{R_1})}$

此时二者频率差异明显，（温度频率1500～3000HZ，湿度信号频率23KHZ～25KHZ），二频率不同的信号送入由D触发器D和

相连构成的T型触发器。T型触发器Q＝1，使温度信号通道的电压频率转换电路正常工作，而湿敏电容组成的多谐振荡器停振；电源中电流脉冲为温度信号。反之

＝1，湿敏电容组成的多谐振荡器正常工作，而温度通道中的电压频率转换电路停止工作，电源中电流脉冲为湿度信号。由此使传感器用二线制来测得温度，湿度信号。

传感器可进行外部硬偏程。当输出温频信号时，T端子接电源（5V），H端子接GND；当输出湿频信号时，H端子接GND，H端接电源（5V）。

本实用新型还可与智能温湿仪相配使用，参照图4；智能显示仪中的集成电路全部采用CMOS蕊片，由80C31和373，27C64组成了单片机最小系统。其数据地址总线上的15K×8下拉电阻可防止程序走飞，液晶显示所需之交流方波信号由80C31的定时器T₀兼任产生。显示管的驱动采用P₂口线性选址。K₂是智能显示仪的功能选择开关，它置于“T”时，显示温度值，置于“H”时，显示湿度值，置于“ALT”时，则交替显示温湿度值。

由复合传感器送来的电流脉冲信号I，经T₁、T₂放大整形后，转换为标准TTL信号，送80C31的T₁脚接收。以后的智能处理程序分二个摸块来设计，见图4所示程序框图。

在主程序中，80C31仅在电源开启时，进行一次性“初始化”和“将湿度标准数据表中各频率值转换为周期值”以后便由指令ORL PCON，＃01H将80C31置为闲置，从而使80C31的工作电流降到500μA左右，直到发生T₀中断时80C31才苏醒工作。在初始化中，T₁被置为计数器，它不停地、自动地对输入脉冲I进行计数，即使80C31被置为闲置时，仍然计数。T₀被置为10ms一次中断的定时器。它的主要功能是：

①测频计数：自初始化后，T₁计数器就一直在自动地不停地对输入脉冲I进行累加计数。当T₀中断100次时，也即1秒末最后一次中断将T₁计数值取出送存到代表f_t（或f_h）的RAM单元，就完成了对脉冲频率f_t（或f_h）采集可供以下计算使用。

②温、湿度补偿与计算

由于湿敏电容受温度的影响比较显著，见图6所示。如不采用智能补偿，是难以得到准确结果的。为此须先在程序数据区建立一张湿度    校准数据表，如图7所示，其制作方法如下：

设t_i（i＝1，…k）为k个感兴趣的环境温度（t₁＜t₂＜…t_k）在每一环境温度下测试n组传感器的输入（即被测空气湿度RH_ij）和对应输出电流频率值f_ij。将实验得到的这2kn个数据，按图7所示格式写入程序数据区就构成了一张湿度标准数据表在初始化程序中，该表第二列所有f_ij值被转换成脉宽T_ij值，以便补偿计算。

参见图5T₀中断程序框图，每当“1秒时间到”，进入“湿度处理”时，程序首先根据此时“T₁计数值”来判断输入信号是否真为湿度频率，（f≥12kHz，则确认为湿频），确认后才将频率值转换为脉冲周期T_h来反映湿度值。为了进行温度补偿，程序首先根据上一秒采集的环境温度t_x，在图7表中寻找最接近t_x的“温度段t_i”，从而在该t_i值的旁边（双字节单元内）找到该温度段下的湿敏电容静特性首址。再根据当前采集转换得到的脉冲周期T_h，即可在此静特性首址下找到与T_h相邻近的二个已知参数点T_ij－1和T_ij以及它们相应的湿度值h_ij－1和h_ij值，从而得到T_h所在湿度直线段的二个端点座标（h_ij－1，T_ij－1）和（h_ij，T_ij），根据两点式直线方程，立即得到线性插值。

公式为：

$h_x=\frac{{\mathrm{(T}}_h{\mathrm{-\; T}}_{\mathrm{i\; j\; -\; 1}}{\mathrm{)(h}}_{\mathrm{i\; j}}{\mathrm{-\; h}}_{\mathrm{i\; j\; -\; 1}})}{T_{\mathrm{i\; j}}{\mathrm{-\; T}}_{\mathrm{i\; j}}{}_{\mathrm{-\; 1}}}{\mathrm{+\; h}}_{\mathrm{i\; j\; -\; 1}}$

众所周知，线性插值公式本身，就可以对各类传感器的静态，非线性进行“线性化”。同时，该程序由于在“线性化”之前进行了“根据环境温度t_x寻找该温度下的具体湿敏电容特性”的工作，从而同时也就实现了“温度对湿度的软补偿”。此外，由于上式中的斜率

$\mathrm{K=}\frac{h_{\mathrm{i\; j}}{\mathrm{-\; h}}_{\mathrm{i\; j\; -\; 1}}}{T_{\mathrm{i\; j}}{\mathrm{-\; T}}_{\mathrm{i\; j\; -\; 1}}}$

是软件自动根据数据表中查到的参数计算求出的，它构成了传感器总增益的一部分，由此自动完成了二次表的标度变换。所以不再需要对传感器硬件增益进行调整，从而实现了所谓“一次性软校        准”。

Claims (2)

1、一种二线制温湿度复合传感器，至少包括机壳2、尾罩5、防护罩3及温敏二极管D_t电阻R₃、R₄、R₅组成的测量电桥，湿敏电容C_RH电阻R_f1，R₁，R₂和放大器A₁组成的自激多谐振荡器及T触发器，其特征在于：

a)电阻R₃和R₄一端与电源连接，另一端分别与温敏二极管D_t和电阻R₅相连接，温敏二极管D_t和电阻R₅另一端与地端相接；电阻R₃和温敏二极管D_t结点经R₆连接放大器A₂的反相端；电阻R₄，R₅的结点接放大器A₂的同相端；电阻R₁₀，R₈电容C₁和放大器A₃的反相端连在一起，电阻R₇，R₉和放大器A₃的同相端连接在一起；C₁另一端与放大器A₃输出端相连并接放大器A₄反相输入端，电阻R₁₁，R₁₂，R₁₃和放大器A₄的同相端连接在一起，电阻R₁₁另一端接电源，电阻R₁₂另一端接地，电阻R₁₃另一端与放大器A₄的输出端、电阻R₁₄和R₁₆连接，电阻R₁₄另一端接地，电阻R₁₆另一端与三极管基极相连接，三极管发射极接地，集电极与电阻R₈、二极管D₁相接，二极管D₁另一端与T型触发器Q相连；

b)湿敏电容C_RH，电阻R_f1与放大器A₁反相端连接，R_f1另一端与放大器A₁输出端及电阻R₁连接，电阻R₁另一端与A₁同相端及电阻R₂、R₁₅和二极管D₂连接，电阻R₂另一端接地，电阻R₁₅另一端接电源，二极管D₂另一端与T型触发器

相连接；

c)触发器D和 与电阻R₁₉相连，电阻R₁₉另一端与电阻R₁₇，二极管D₄阴极、D₃阳极相连接电源，二极管D₃阴极与电容C₂，D触发器的电源端相连，电容C₂另一端接地；电阻R₁₇另一端和二极管D₄阳极、电阻R₁₈相连并接D触发器的CP端，电阻R₁₈另一端接地。

2、如权利要求1所述的传感器，其特征还在于在机壳2前端安置防护置3，温敏二极管D_t和湿敏电容C_RH二敏感元件1置于其内。

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