基于4～20mA輸出的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

任勇峰，朱澤琿，賈興中

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

現(xiàn)代工業(yè)和自動化領(lǐng)域中，溫度和濕度的測量與采集都是非常重要的。溫濕度信號的測量結(jié)果都需要轉(zhuǎn)換成模擬量信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾臏y試設(shè)備或者采集設(shè)備上，與傳送電壓調(diào)制信號的方式相比，4～20 mA 電流環(huán)具有很強(qiáng)的抗干擾能力[1]，并且信號的傳輸距離長，且不需考慮噪聲干擾、線長、壓降和線路阻抗等影響[2]，極大地提高了電路的傳輸性能。該設(shè)計(jì)采用C8051F410 單片機(jī)驅(qū)動控制SHT15 芯片測量溫濕度，并通過搭建V/I 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)高精度的4～20 mA 電流輸出，完成測量。

1 電路組成

溫濕度傳感器硬件電路由SHT15 接口電路、C8051F410 單片機(jī)外圍控制電路、V/I 轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1 所示。C8051F410 單片機(jī)控制SHT15 測量溫濕度并將溫濕度信號的數(shù)字量通過IDAC 功能轉(zhuǎn)換成微小電流量[3]，通過接地電阻轉(zhuǎn)換成理想的電壓值，再通過V/I 轉(zhuǎn)換電路輸出4～20 mA 的電流信號。

圖1 電路組成

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 SHT15接口電路設(shè)計(jì)

SHT15 傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[4]。它包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙性測溫元件[5]，并與一個(gè)14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。因此，這款芯片具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

SHT15 與C8051F410 單片機(jī)的接口電路如圖2所示，SHT15 和單片機(jī)之間的通信采用串行二線接口DATA 和SCK 實(shí)現(xiàn)[6]，其中DATA 為數(shù)據(jù)線，SCK 為時(shí)鐘線，分別與單片機(jī)的P0.2、P0.3 的I/O 口連接。DATA 數(shù)據(jù)傳輸為三態(tài)門，為保證信號傳輸和數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定，DATA 和SCK 均需要接入一個(gè)外部上拉電阻（一般為10 kΩ電阻）。同時(shí)VCC 和GND 之間也可添加一個(gè)0.1 μF 的電容，用于去耦濾波。

圖2 SHT15接口電路原理圖

2.2 C8051F410單片機(jī)外圍控制電路設(shè)計(jì)

C8051F410 單片機(jī)是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU。內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率最高可達(dá)24.5 MHz，片上資源豐富，能最大限度地減少外圍電路，提高系統(tǒng)的集成度和抗干擾功能[7]。

C8051F410 單片機(jī)使用3.3 V 電壓供電，包含兩路12 位電流輸出DAC（P0.0 和P0.1），IDAC 的最大輸出電流可以有4 種不同的設(shè)置：0.25 mA、0.5 mA、1.0 mA、2.0 mA。用IDAC 寄存器（IDA0CN 和IDAC1CN）中的對應(yīng)位來分別使能或者禁止IDAC 功能。同時(shí)IDAC 的滿量度輸出電流由IDAnOMD 位（IDAnCN[1:0]）選擇。具體配置方法見表1。

表1 IDAC滿量度輸出電流與IDAnOMD位設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置滿量度輸出電流為2 mA，程序設(shè)計(jì)為：

圖3 C8051F410單片機(jī)外圍控制電路

C8051F410 單片機(jī)的P0.2 口和P0.3 口與SHT15的DATA 數(shù)據(jù)線和SCK 時(shí)鐘線相連，SCK 為SHT15和單片機(jī)提供同步時(shí)鐘，DATA 數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，需要注意的是，I2C 協(xié)議與該二線串行通信協(xié)議是不兼容的。所以在程序開始時(shí)，單片機(jī)需要按照SHT15 芯片的啟動傳輸時(shí)序來啟動數(shù)據(jù)傳輸，啟動傳輸時(shí)序見圖4。它包括當(dāng)SCK 時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA 翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK 變?yōu)榈碗娖剑S后是在SCK 時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA 翻轉(zhuǎn)為高電平。

圖4 SHT15啟動傳輸時(shí)序

SHT15 測得的溫濕度是以數(shù)字量的形式轉(zhuǎn)換為溫濕度值的，并且濕度的數(shù)字量轉(zhuǎn)換到濕度值是非線性的，若直接利用濕度的數(shù)字量進(jìn)行DA 轉(zhuǎn)換，必然會導(dǎo)致濕度測量的線性度比較差。為改善溫濕度信號測量與最后4～20 mA 電流輸出的線性度，同時(shí)為將溫濕度數(shù)值轉(zhuǎn)換成后續(xù)可以處理的模擬量。將具體的溫濕度值線性映射到進(jìn)行DA 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量[8]，映射關(guān)系見圖5，溫度映射關(guān)系同理。

圖5 濕度值與DA轉(zhuǎn)換數(shù)字量映射關(guān)系

溫濕度值映射的數(shù)字量范圍可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求測量的溫濕度范圍進(jìn)行映射，由于最后傳感器輸出的是4～20 mA 的電流信號，故映射的數(shù)字量下限應(yīng)該大于0x000。若映射的數(shù)字量從0x000 開始，則需要后端電路加上適當(dāng)?shù)钠秒妷喝ヌЦ遃/I 轉(zhuǎn)換電路前的電壓值，使得電路的設(shè)計(jì)較為繁瑣，故該設(shè)計(jì)不采用這種方法。

從溫濕度量到DA 轉(zhuǎn)換數(shù)字量直接進(jìn)行線性映射，保證了溫濕度信號測量具有良好的線性度和穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)中，電流滿量度輸出設(shè)置為2 mA，通過IDAC 功能轉(zhuǎn)換的模擬電流量根據(jù)映射的數(shù)字量范圍來確定，例如，映射的數(shù)字量范圍是400～3 400，則轉(zhuǎn)換出的電流量范圍0.195～1.661 mA。P0.0 和P0.1 端口輸出的電流值通過對地電阻R22和R11轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷褐担员氵M(jìn)行下一步的V/I 轉(zhuǎn)換。

2.3 V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了將電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號，且需要保證電流信號的輸出與負(fù)載無關(guān)。初步設(shè)計(jì)了如圖6 所示的V/I 轉(zhuǎn)換電路。

圖6 初步設(shè)計(jì)的V/I轉(zhuǎn)換電路

在該電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，使用了兩路運(yùn)算放大器，U2運(yùn)放做電壓跟隨器，起阻抗變換的作用[9]；U1運(yùn)放為一個(gè)同相加法器。對運(yùn)算放大器有以下要求：必須具有較小的輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流，減少運(yùn)放自身參數(shù)對電路平衡性和對稱性的影響[10]。要求不高的場合，運(yùn)放可以選用通用運(yùn)算放大器LM358，要求高的場合可以選用高精度、低噪聲的OPA228。

電路原理可做如下簡單推導(dǎo)：

令K=R5/R8=R12/R13，若選用運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流足夠小，達(dá)到微伏或者微安級。按照理想運(yùn)算放大器推算，滿足U1+=U1-。

其自由度為1，保證了小曲拐的正常運(yùn)動，從小曲拐四桿機(jī)構(gòu)可以看出3個(gè)小曲拐的運(yùn)動規(guī)律一致，且與偏心主軸的運(yùn)動一致，使得動盤公轉(zhuǎn)運(yùn)動而不發(fā)生自轉(zhuǎn)，因此滿足渦旋壓縮機(jī)防自轉(zhuǎn)的要求。

則整理化簡得：

可見，輸出電流與外接負(fù)載電阻無關(guān)，只與輸入電壓、V/I 轉(zhuǎn)換電阻R20以及電阻阻值之比K有關(guān)。在給定的電路中，R20與K值恒定，若輸入電壓不變，可實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

為增強(qiáng)電路的輸出電流驅(qū)動能力，電路設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)NPN 三極管，改進(jìn)的電路見圖7。利用NPN 三極管實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)流的作用，增強(qiáng)電流的輸出能力[11]。并通過Multisim13.0 軟件仿真可知，三極管不僅增強(qiáng)了電流的驅(qū)動能力，并且由于基極電流較小，減少了對運(yùn)算放大器負(fù)載電流能力的要求，同時(shí)承擔(dān)了主要的電壓壓降[12-13]。D2 為肖特基整流二極管，在對電路進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，也能提高電流的傳輸性能。

圖7 改進(jìn)的I/V轉(zhuǎn)換電路

因此在選用三極管時(shí)，不僅要滿足功率電壓等要求，更要考察三極管的驅(qū)動電流能力。小電流可使用S8050，電流可以達(dá)到1.5 A；大電流可使用TIP41，電流可達(dá)到6 A。

利用上述電路，根據(jù)自己的使用需求，選擇適當(dāng)?shù)碾娮枧浔戎礙，可將單片機(jī)外圍電路輸出的電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA 電流輸出。輸出電流不受外接負(fù)載影響的特點(diǎn)，也為電流信號進(jìn)行后續(xù)的轉(zhuǎn)換與采集提供了高精度的保證。

3 試驗(yàn)分析與測試

在完成硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫后，為驗(yàn)證和測試溫濕度傳感器的測量精度，使用OMEGA 公司的熱電偶溫度校準(zhǔn)儀（測溫精度可達(dá)0.5 ℃）和瑞士羅卓尼克標(biāo)準(zhǔn)溫濕度探頭（測濕精度可達(dá)1.0%RH）分別對溫濕度傳感器的溫度和濕度測量進(jìn)行試驗(yàn)測試分析和數(shù)據(jù)處理。

將溫濕度傳感器和熱電偶溫度校準(zhǔn)儀感應(yīng)探頭同時(shí)置于高低溫箱中，改變高低溫箱中的溫度[14]，并在溫度穩(wěn)定后記錄校準(zhǔn)儀顯示溫度和溫濕度傳感器測溫端輸出電流，測量結(jié)果見表2。

表2 溫度標(biāo)定測量結(jié)果

對測量的數(shù)據(jù)作最小二乘法直線擬合，結(jié)果見圖8。

圖8 溫度值與輸出電流擬合直線

由擬合直線求解到非線性度為0.41%，非線性度小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求。再由輸出電流值根據(jù)擬合直線公式反推溫度測量值，考察溫度測量的實(shí)際值和測量值之間的誤差，反映溫度測量精度[15]，結(jié)果見表3。

表3 溫度測量精度分析

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在溫度測量范圍-40～40 ℃中，傳感器的溫度測量與電流輸出不僅有著良好的線性關(guān)系，而且同熱電偶溫度校準(zhǔn)儀相比，測量精度不超過0.5 ℃。

在溫濕度快速變化試驗(yàn)箱中對傳感器進(jìn)行濕度測量[16]。通過標(biāo)準(zhǔn)溫濕度探頭測量當(dāng)前濕度，并在濕度環(huán)境穩(wěn)定后記錄當(dāng)前濕度值和溫濕度傳感器的測濕端輸出電流。測量結(jié)果見表4。

表4 濕度標(biāo)定測量結(jié)果

對測量的數(shù)據(jù)作最小二乘法直線擬合，結(jié)果見圖9。

圖9 濕度值與輸出電流擬合直線

由擬合直線求解到非線性度為0.75%，非線性度小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求。再由輸出電流值根據(jù)擬合直線公式反推濕度測量值，考察濕度測量的實(shí)際值和測量值之間的誤差，反映濕度測量精度，結(jié)果見表5。

表5 濕度測量精度分析

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，在濕度測量范圍0～100%RH中，傳感器的濕度測量與電流輸出不僅有著良好的線性關(guān)系，而且同標(biāo)準(zhǔn)溫濕度探頭相比，傳感器測濕的測量精度不超過±0.721%RH。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器測試電路，以C8051F410 單片機(jī)和SHT15 敏感芯片為核心，根據(jù)傳感器自身的設(shè)計(jì)測量范圍和性能要求，通過程序設(shè)計(jì)和改進(jìn)型V/I 轉(zhuǎn)換電路的搭建，為傳感器測量信號遠(yuǎn)距離傳輸提供了可選方案，并且有效地改善了SHT15 芯片自身濕度測量的非線性，提高了測量精度。最后通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)是合理可行的，可以用于精度較高場合下的測量。