CN2424451Y

CN2424451Y - 电阻式智能化湿温度检测装置

Info

Publication number: CN2424451Y
Application number: CN 00228212
Authority: CN
Inventors: 刘桂雄; 沈家瑞; 邝泳聪
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-03-21
Anticipated expiration: 2010-05-19

Abstract

本实用新型涉及信号检测装置,具体是指一种电阻式智能化湿温度检测装置。它的阻频变换单元的输出端和光电耦合与通道选择单元的信号输入端连接,光电耦合与通道选择单元的输出端和信号整形单元的输入端连接,光电耦合与通道选择单元的控制端和微处理器系统的软硬件及接口单元连接,信号整形单元的输出端和微处理器系统单元连接。本实用新型测控方法简便、外围电路简单、抗干扰能力强、测量精度和稳定性高、测量范围宽且利于遥测。

Description

电阻式智能化湿温度检测装置

本实用新型涉及信号检测装置，具体是指一种电阻式智能化湿温度检测装置。

对温度、湿度参数的测量在工农业生产、科学研究与日常生活中十分广泛。通常的电阻式湿度、温度测控仪器是通过传感器件把温度、湿度参数的变化转换成传感器件的电阻值变化，再利用变换电路将电阻值变化转换成电压信号输出，经整流、放大、信号调整和A/D转换等环节后，送微处理器进行分析、处理及输出。一般来说，由于在0～100％RH的测量范围内，传感器件的电阻变化范围达数个数量级，因此除非采用专用放大器件，否则难以实现湿度的全量程测量；电阻式湿敏器件使用交流信号作为激励源，因此传感信号的检测还必须含有整流等环节；如果采用模拟信号处理方式势必提高检测装置对抗干扰能力的要求，不利于遥测。

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的问题，设计和开发一种测控方法简便，抗干扰能力强，测量精度和稳定性高，测量范围宽且利于遥测的电阻式智能化湿温度检测装置。

一种电阻式智能化湿温度检测装置，其特征在于由阻频变换单元、光电耦合与通道选择单元、信号整形单元和微处理器系统的软硬件及接口所组成；各单元的构成以及连接关系如下：阻频变换单元是由电阻式敏感器件直接接入的振荡电路，光电耦合与通道选择单元由光电耦合器和多路选择开关所组成，信号整形单元核心是一个带斯密特的触发器，微处理器系统的软硬件及接口单元的核心是单片机及其必须的输入输出接口；阻频变换单元的输出端和光电耦合与通道选择单元的信号输入端连接，光电耦合与通道选择单元的输出端和信号整形单元的输入端连接，光电耦合与通道选择单元的控制端和微处理器系统的软硬件及接口单元连接，信号整形单元的输出端和微处理器系统的软硬件及接口单元连接。

热敏、湿敏器件受被测量的变化转换成电阻的变化，阻频变换单元是将电阻式敏感器件直接接入振荡电路，振荡电路输出信号的频率是敏感器件的电阻的函数，阻频变换单元产生的湿度和温度频率信号送到光电耦合与通道选择单元；阻频变换单元产生的湿度和温度频率信号经光电耦合与通道选择单元，光电耦合隔离外部干扰、多路选择器由微处理器控制轮流选通一路信号送到信号整形单元，进行信号整形处理；信号整形单元消除衰减或干扰而引起的信号畸变，提高信号的质量和驱动能力，整形后的信号送入微处理器系统；微处理器系统的软硬件以微处理器为核心，控制多路选择器对多路频率输入信号选通；采用基于测频测周集成的频率信号检测方法即根据所测信号频率的大小，在保证测量精度和快速性的前提下，在被测信号的高频段采用频率测量方法，在信号的低频段采用周期测量方法；考虑到湿敏器件的电阻不仅对湿度敏感，对温度也敏感，通过把一个三维的问题转化成两个二维问题，得到任意温度环境下的传感特性计算曲线；最后，显示和输出温度、湿度值，或进行相应的控制动作。

本实用新型与现有技术相比具有如下特色和创新之处：①由于阻频变换单元将敏感器件的参数变化直接转换成微处理机系统可检测的频率信号，无须经过放大、整流中间等环节，因而减少了噪声的来源，并且这种信号检测装置具有外围电路简单、抗干扰能力强、利于遥测、测量范围宽的特点；②本实用新型频率信号的检测采用测频测周集成的方法，根据所测信号频率的大小，在被测信号的高频段进行采用频率测量，在信号的低频段采用周期测量，同时满足测量精度和快速性要求；③测量装置以微处理器系统为核心，利用微处理器编程灵活的特点，实现复杂的数据处理方法，针对电阻式湿敏器件除对湿度变化有关外，还与器件环境温度有关，应用插值的数学方法把一个三维的问题转化成两个二维问题，得到不同温度下的传感特性曲线，消除环境温度变化对湿度传感精度的影响和解决湿度敏感器件的非线性问题，提高测量精度，提供打印、通讯、输出控制等多种功能，使仪器智能化。

图1为电阻式智能化湿温度检测装置结构示意图；

图2为湿温度传感阻频变换电路图；

图3为温度补偿方法原理图；

图4为电阻式智能化湿温度检测装置主程序结构框图。

下面将通过实施例及其附图对本实用新型做进一步详述：

以一种高分子电阻式湿温度检测装置(以下简称湿温度装置)为例，下文括号内均为本实施例选用器件的型号，湿温度装置结构如图1所示。图1中，高分子电阻式湿敏器件R_H用于湿度传感，热敏电阻R_T用于温度传感，R_H、R_T直接接入图2所示的阻频变换电路即振荡电路中，将被检湿度和温度信号直接转变成频率信号f_H和f_r，两路频率信号通过光电耦合器(选用PC817器件)和通道切换环节(选用MC4051器件)进行光电隔离，并由软件控制选通其中一路，该信号经整形单元的一个带斯密特的触发器整形后送入微处理器(选用8031单片机)系统，通过微处理机内部的两个定时器和计数器配合，完成对输入信号的频率或周期进行测量，再由软件换算成频率值。通过轮流选通温度和湿度信号，就可得到对应当前被测对象的湿度和温度的频率值。数据处理程序通过两次插值，不但补偿了由于温度的变化而对传感器性能造成的影响，湿敏传感器的非线性问题也得到圆满的解决，从而得到消除了温度因素影响的、较为准确的湿度值。

图2是湿温度装置的阻频变换电路图：在图2中，R_H为高分子电阻式的湿敏器件，R_T为普通的NTC型热敏电阻。湿敏器件R_H可等效为电阻电容器件混合的二端网络(R_S，C_S)，利用两个555定时器构成的阻频变换电路，分别把湿敏器件的电阻随湿度的变化以及热敏电阻的阻值随温度的变化转换为两路频率信号f_H和f_T。实验及数学分析都表明，电路积分电容C_Q的值必须小于湿敏器件的等效电容CS的一半以上阻频转换电路才能工作；通过对R_I和C_Q的合理选择，可以保证传感特性既具有单调性又有良好的灵敏度。

在C_S≥2C_Q的条件下，湿度通道的频率输出为f_H=1/T_H，T_H可按下式计算：

T_{H} = A \ln \frac{B - 0.6}{B - 0.3} + D \ln \frac{2 V_{cc} - B}{V_{cc} - B} - - - - - - (1)

式中：

A = \frac{(R_{1} + R_{s}) C_{s} C_{Q}}{C_{s} + C_{Q}}, B = \frac{0.9 C_{Q}}{C_{s} + C_{Q}}, D = \frac{R_{s} C_{s} C_{Q}}{C_{s} + C_{Q}},

R₁、R₂、R_S、C_S和C_Q如图2所示。

而温度通道振荡电路的频率输出f_T=1/T_T，T_T可按下式计算：

T_T=0.693(R₃+2R_T)C₄ (2)

式中：R₃、C₄如图2所示，R_T为热敏电阻。

由于湿度敏感器件的电阻变化范围大(达几个数量级)，阻频变换后输出信号的频率范围也相应较宽(几个到几十万赫兹)，采用单一的测频方法或测周方法进行信号测量都难以保证精度。本实施例中采用了测频测周集成的测量方法。实践表明，测频测周集成的信号检测方法的精度及稳定性均较好，特别适用于高性能的湿温度检测。

数据处理的两次插值方法的具体实施的办法如下：

①如图3所示，在湿温度装置的测量范围内，根据国家标准测出湿度源为X₀，X₁，…X_i…X_N时在温度t_k(k=0，1，…M)下，相应的信号电压值V_i，k(i=0，1，…N)值，这样就得到了M+1组数据(每组数对应1条湿度特性曲线)。把温度分区点t₀，t₁，…t_k…t_M和湿度分区点X₀，X₁，…X_i…X_N以及上面测得的M+1组数据，按照一定顺序依次存储固化到微处理机系统EPROM内，完成数据库的建立工作。

②在微处理机系统测出温度t后设t₀≤t≤t_M，将t与温度分区点t₀，t₁，…t_k…t_M进行比较，找出t所在的温度区间[t_k-1，t_k]，k∈[1，M]，从而得到在温度t_k-1和t_k两组湿度特性数据，再利用如下公式就可算出温度t时湿度特性曲线上对应的湿度点X₀，X₁，…X_i…X_N的电压值V_0，t，V_1，t…V_i，t，…V_N，t。

V_{i, l} = V_{i, k - l} + \frac{V_{i, k} - V_{i, k - l}}{t_{k} - t_{k - l}} (t - t_{k - l}) (i = 0, 1, - - - N)

③由微处理机系统测出湿度传感电压值V，把V与刚才求得的电压值V_0，t，V_1，t，…V_i，t，…V_N，t相比较(正常情况下V_0，t≤V≤V_N，t。若V_i-l，t≤V≤V_i，t，则得到具有温度补偿下湿度值为：

X = X_{i - 1} + \frac{V - V_{i - 1, t}}{V_{i, t} - V_{i - 1, t}} (X_{i} - X_{i - 1})

借助于实际测出的有限几组感湿特性曲线，通过插值方法求得任意温度下的传感特性曲线计算公式，消除了温度对传感器性能的影响，解决了传感特性的非线性问题。

湿温度装置的软件采用了结构化和模块化设计，实现测频测周方法集成的主程序框图如图4所示。主要功能模块有：主程序模块、定时器中断和计数器中断模块、显示模块、键盘监控模块、串行通讯模块、打印模块和输出控制模块等。

软件主程序实现的功能有：系统的初始化；在定时器和计数器对脉冲采样完成后计算频率值；根据实测值选择频率测量或周期测量；控制测量通道的切换，轮流对湿度和温度通道采样；计算温度值和湿度值并根据用户选择显示温度或湿度；对定时器和计数器重新初始化并启动下一轮采样等。定时器中断和计数器中断模块实现对信号的频率或周期的测量。显示模块、键盘监控模块响应用户的输入并根据用户选择显示测量结果。串行通讯模块通过串行口将测量结果发送给上位机(个人电脑或工控机等)并接受上位机的指令。打印模块打印测量结果，输出控制模块除对湿度和温度超出量程分别输出信号外，根据上位机或用户的键盘输入设定值，在测量范围内各可现场设定4个点(值)，即将测量范围划分为5个区间，系统软件将测得的当前温度、湿度值与设定值比较，通过编码形式(8421码)输出当前值所在区间信息(TTL电平)。通过相应的外接译码和驱动电路便可得到温度和湿度控制信号。

Claims

1、一种电阻式智能化湿温度检测装置，其特征在于由阻频变换单元、光电耦合与通道选择单元、信号整形单元和微处理器系统的软硬件及接口所组成；各单元的构成以及连接关系如下：阻频变换单元是由电阻式敏感器件直接接入的振荡电路，光电耦合与通道选择单元由光电耦合器和多路选择开关所组成，信号整形单元核心是一个带斯密特的触发器，微处理器系统的软硬件及接口单元的核心是单片机及其必须的输入输出接口；阻频变换单元的输出端和光电耦合与通道选择单元的信号输入端连接，光电耦合与通道选择单元的输出端和信号整形单元的输入端连接，光电耦合与通道选择单元的控制端和微处理器系统的软硬件及接口单元连接，信号整形单元的输出端和微处理器系统的软硬件及接口单元连接。