溫濕度測量儀的多通道測量及低通濾波

劉惠惠

（安徽財經(jīng)大學(xué) 電子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

溫濕度測量儀的多通道測量及低通濾波

劉惠惠

（安徽財經(jīng)大學(xué) 電子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

介紹一種溫濕度測量儀的多通達(dá)測量方法及低通濾波的實現(xiàn)，由多路溫度、濕度傳感器對關(guān)鍵溫度點進行測量，用單片機對各路數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測、存儲，實現(xiàn)溫、濕度的智能測量.可長周期數(shù)據(jù)自動記錄；空間溫度場、濕度場測量；精度高；成本低.

Pt100；HIH-4000；單片機；溫度；濕度

1 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)以單片機為控制核心，通過多路溫度、濕度傳感器對關(guān)鍵溫濕度點進行測量，并由單片機系統(tǒng)對各路數(shù)據(jù)進行循環(huán)采集、存儲.在系統(tǒng)中，溫濕度傳感器系統(tǒng)的輸出信號，經(jīng)多路模擬開關(guān)實現(xiàn)通道選擇，通過低通濾波器消除信號中的一些高頻噪聲，經(jīng)A/DC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由單片機控制實現(xiàn)分時數(shù)據(jù)采集與處理，并將數(shù)據(jù)定時存儲，可實時傳送到計算機.所采用的主要器件有：單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、高精度A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器、模擬開關(guān)、高精度集成運算放大器等等.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

2.1 溫濕度測量

溫度傳感器選用常用的WZP系列Pt100鉑熱電阻，穩(wěn)定，耐氧化，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)有相當(dāng)好的穩(wěn)定性和極好的復(fù)現(xiàn)性能，成本低.

要實現(xiàn)溫度與電壓的轉(zhuǎn)換需使用不平衡電橋.并根據(jù)溫度傳感器測量電橋輸出的信號需要放大增益大概在70～90倍左右，所以選擇可變增益的差分放大電路設(shè)計方案.系統(tǒng)的放大電路及濾波電路采用高精度集成運放OP07做放大元件.

通常在濕度測量中用的干濕球法，需要兩個溫度傳感器分別檢測干球溫度和濕球溫度，對比溫度差值求得濕度[1].不能夠靈活的檢測濕度值.而由于成本控制的原因，在設(shè)計中采用HIH-4000系列的濕度傳感器，測量精度在±3.5% RH，芯片內(nèi)具有信號處理功能，該傳感器輸出線性電壓，易于信號處理和誤差校正.

2.2 測量通道擴展及低通濾波電路的設(shè)計

2.2.1 多通道測量電路

對于測量系統(tǒng)要實現(xiàn)多通道測量，通常有兩種方法：一種是選用多通道模擬開關(guān)擴展輸入通道，另一種選用帶有多路模擬輸入通道的A/DC[5].設(shè)計選用的是多通道模擬開關(guān)來擴展輸入通道.模擬開關(guān)的主要用途是把多路模擬信號逐個、分時地送入A/DC中，實現(xiàn)一個A/DC對多路模擬量的轉(zhuǎn)換.

模擬開關(guān)選用CD4051（8選一），它由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路和開關(guān)電路組成.其中，電平轉(zhuǎn)換電路可以完成CMOS到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換功能，因此輸入電平范圍寬，數(shù)字量信號電平幅度為3～15V，模擬信號的峰-峰值可達(dá)15V.地址譯碼具有禁止功能，可根據(jù)CPU給出的地址信號，方便地選擇其輸入通道，從而使輸入輸出相連通.其電路如圖2所示.

圖2 測量通道擴展電路

采用 CD4051的雙極性輸入方式，VDD=5V,VEE=-5V, VSS=0V，就能開關(guān)-5V～5V之間的模擬信號.

C、B、A為通道地址線，當(dāng)CBA=000B～111B時，可選擇通道X0～X7.

INH為禁止控制端，當(dāng)INH=1時，所有通道均被斷開；當(dāng)INH=0時，根據(jù)CBA的值允許選擇一個通道.使用該控制端還可以實現(xiàn)多通道的擴展.

2.2.2 二階低通濾波電路

傳感器的輸出信號，經(jīng)過放大后，有一部分的較高頻率的噪聲會被放大，加上元器件、導(dǎo)線、電源、電子線路以及外界環(huán)境等噪聲的干擾，輸出波形會發(fā)生變化.此時，可以根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)置一個低通濾波電路.一般系統(tǒng)要求在較穩(wěn)定的環(huán)境下工作，系統(tǒng)的掃描頻率一般在0.1HZ～7HZ.此濾波電路的截止頻率為7HZ，通帶增益為1.具體電路如圖3所示.

其傳遞函數(shù)為

令s=jw,可得

此濾波器，確切地稱為KRC濾波器，采用等值元件設(shè)計法來確定其參數(shù)[2].

令R1=R2，C1=C2=C，又因K=1，則上述各式可以得到設(shè)計方程為

先確定容易獲得的電容值2.2uF,在根據(jù)式（7）可以求得

在實際設(shè)計中，電阻，電容設(shè)計值，往往和標(biāo)準(zhǔn)系列值不一致，元件參數(shù)相對設(shè)計值誤差不超過2%可以滿足設(shè)計要求.所以選取R1=R2=10KΩ.

圖3 二階低通濾波電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)選用可高精度，低噪聲，低漂移，低功耗、低價格的12位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109.其輸出數(shù)據(jù)為12位二進制數(shù)，配有較強的接口功能，可以較方便的連接各種微處理器[2].

圖4是ICL7109與單片機接口設(shè)計.它采用±5V雙電源供電，MODE端接地，使其工作在直接輸出工作方式.將RUN/HOLD接單片機的P1.0口，由單片機控制A/DC工作，將STATUS線與單片機的INT0外部中斷口相連，每完成一次轉(zhuǎn)換，向單片機發(fā)送一次中斷請求.P2.0、P2.1分別與高字節(jié)使能端HBEN、低字節(jié)使能端LBEN相連，當(dāng)P2.0為低電平，P2.1為高電平時，讀取ICL7109的高字節(jié)，當(dāng)P2.1為低電平，P2.0為高電平時，讀取ICL7109的低字節(jié).由于采用3.5MHZ的晶振，故完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間為T=8192(脈沖周期)58/3.58MHZ=132.72ms,即轉(zhuǎn)換速率為7.5次/s.

其中的自動調(diào)零電容CAZ的選擇可以這樣考慮，當(dāng)VIN較小時，例如VIN=0～409.6mV，這時抑制噪聲是主要的，CAZ可選為比CINT大1倍，以減小噪聲.CAZ越大，噪聲越小.例如，CINT為0.3uF時，CAZ選0.5uF.當(dāng)VIN=0～4.096V，這時噪聲的影響不是主要的，可以把積分電容CINT選大一些以減小復(fù)零誤差，使CINT=2CAZ.例如圖中CINT=0.33uF，CAZ=0.15uF.基準(zhǔn)電容一般可以取1uF較好.

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.4 單片機系統(tǒng)電路及串口通信

本系統(tǒng)采用的AT89C52型單片機，由于需要擴展鍵盤控制和顯示功能，89C52單片機需要擴展I/O口，選用通用的可編程并行I/O接口芯片8255A.

數(shù)據(jù)存儲選用容量為8KB的SRAM6264,以實現(xiàn)定時存儲功能.

由于6264在掉電后數(shù)據(jù)丟失.設(shè)計時，需加一個掉電保護電路.

系統(tǒng)通過PC的一個COM口與串口調(diào)試軟件通訊，將采集的數(shù)據(jù)傳入計算機，對溫濕度數(shù)據(jù)進行曲線分析來實現(xiàn)溫濕度控制裝置發(fā)送指令采集和控制.系統(tǒng)采用RS232通訊協(xié)議，串行通訊電路電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX232.

3 軟件設(shè)計

軟件采用Keil C編程調(diào)試，程序中的A/D采集子程序加了軟件濾波的設(shè)計，采用算術(shù)平均值濾波法，使A/DC對每個通道的模擬量采樣8次，求算術(shù)平均值，以次來消除噪聲的干擾.經(jīng)過反復(fù)的運行、調(diào)試，修改最后形成了一套完整的程序系統(tǒng)，其中包括：A/D采集子程序、信號處理子程序、定時存儲子程序、串行通訊子程序.

〔1〕強錫富.傳感器[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

〔2〕許愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995.

〔3〕賽爾吉歐·佛朗哥編著,劉樹棠,朱茂林,榮玫.基于運算放大器和模擬集成電路地電路設(shè)計（第三版）[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2004.

〔4〕沙占友,孟志永,王彥明,等.單片機外圍電路設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

TP216+.1

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1673-260X（2013）11-0030-02