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温湿度自动记录仪设计研究报告

更新时间:2009-3-28:  来源:毕业论文

温湿度自动记录仪设计研究报告
1.研究意义
现在的精密测量和精密加工中,环境因素是影响精度的主要因素之一,其中的温度、湿度是环境的两项主要指标。当前,已经开发了很多温湿度测量系统,一些高精度温度传感器的精度可到±0.01℃,然而价格非常昂贵,一般只作为高分辨力的精度测量和用作测温仪器的标准。而对于生产应用中的较低精度温湿度测量系统,现有的系统多采用了与计算机直接结合的工作模式,增加了系统的成本。鉴于目前的情况,我们提出以价格低廉的单片机作为控制核心,以多个温度、湿度传感器作为测量元件,构成了低成本的智能温湿度测量系统。在该系统中,根据测量空间或设备的实际需要,由多路温度、湿度传感器对关键温度点进行测量,由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、存储,实现温、湿度的智能测量。经初步预算,该系统的成本仅为数百元人民币,价格低廉。另外,该系统具有与计算机的通讯功能,在长时间数据采集完成后,可以将数据在传送到计算机进行相关的研究分析。因此,该系统即具有现有的计算机控制的智能测量功能,又节省硬件成本。另外,我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小,即可用于实验室环境温度的测量,又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。
其功能如下:
    1.测量空间多点的温度和湿度:根据测量空间或设备的实际需要,由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量,由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储,实现温湿度的智能、多空间点的测量。
    2.长时间测量数据记录功能:可以根据需要设置数据记录时间间隔,数据存入数据存储器。
    3.通讯功能:与计算机通讯功能,采用RS232串行通讯方式 最远传输距离为20米。采用此通讯方式成本低。将采集的数据传入计算机,在Windows环境下通过对温湿度数据进行分析,得出空间温度场和湿度场的分布情况。
要求达到的技术指标:
     测温范围: -20℃ ~ 100℃
     测温精度:±0.1℃
     测湿范围: 0~100%RH
     测湿精度:±3.5%RH
测量仪特点:
     1. 长周期数据自动记录
     2. 空间温度场、湿度场测量
     3.  精度较高
4.  价格低廉
2. 研究内容
2.1 总体方案设计
以单片机为控制核心,采用温湿度测量,通信技术,误差修正等关键技术,以温湿度传感器作为测量元件,构成智能温湿度测量系统。该系统,可分为温度信号调理电路,湿度信号调理电路,A/D转换及滤波电路,数据存储及显示电路。选用的主要器件有:温度传感器PT100,湿度传感器HIH-4000-1,Atmel89C52,A/D转换器ICL7109,数据存储器28C64或6264,液晶显示模块GXM12232E,模拟开关CD4051,MAX232,高精度集成运算放大器OP07。
2.2 各部分电路设计
2.2.1温度信号调理电路
采用Pt100温度传感器,利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温,其温度/阻值有一定的函数变化,这个温度/阻值函数,需要用程序来实现。
    其特点是精度高,稳定性好,适合于较高要求的工业、计量测试等使用要求。
Pt100传感器温度/阻值对应关系为:
(1)-200℃<t<0℃时,RPt100=100[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]                     (1)
(2)0℃≤t≤850℃时,RPt100=100(1+At+Bt2)                                  (2)
式中,A=3.90802×10-3;B=-5.80×10-7;C=4.2735×10-12
图2.2.1是根据所选择的温度传感器而设计的调理电路。在该电路中,根据要求的温度测量范围-20℃——100℃及ADC的满度电压-4.096V——4.096V,将放大电路的放大倍数控制在100倍左右较为合适。这通过调节电位器W2实现。在0℃是,应调节W1,使电桥达到平衡。
2.2.2湿度信号调理电路
选用的湿度传感器HIH-4000-1芯片内具有信号处理功能,该传感器的线性电压输出可直接输入A/D中。
    该元件具有多层结构,能适应环境的不利因素,像在潮湿,灰尘,污垢,油类等环境中具较强的抗力。
    另外该传感器还有精度高,体积小巧便于安装,响应时间短,互换性较好等优点。
    可以根据该传感器的技术要求,由软件来实现温度补偿,提高测量精度,其特性曲线见图2.2.2.1。
根据上述传感器特性曲线,设计了图2.2.2.2所示的电路图。
2.2.3滤波电路及AD转换电路
2.2.3.1滤波电路
温湿度传感器的输出信号经过各自的信号调理电路之后,由于元器件,电缆线,电源等噪声的干扰,输出波形会发生变化。此时可根据系统的特性设置一低通滤波器,具体电路如图所示;一般系统要求在较稳定的环境下工作,信号的频率一般在几个赫兹以内即可。带通增益为1,此滤波电路的截止频率为5HZ。
2.2.3.2 AD转换电路
A/D是该系统中连接模拟部分和数字部分的纽带,把传感器部分的模拟信号转变成为单片机系统所需要的数字信号。考虑到仪器用于环境温度变化并非剧烈的情况下,传感器输出信号是较稳定的模拟信号,对ADC 的转换速率要求不高,可以选用高精度,低噪声,低漂移,低价格的12位双积分式A/D转换器ICL7109。其输出数据为12位二进制数,配有较强的接口功能,可以较方便的连接各种微处理器。
2.2.4 数据存储,显示及通信电路
数据存储选用容量为8K BITE的EEPROM28C64或静态RAM6264,二者的管脚可以兼容,在此电路中最大的区别是2864具有掉电保护功能,而6264在掉电后数据丢失。295

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