基于實踐能力提升的溫濕度傳感器設計*

王升升

（吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013）

2015年5月，國務院辦公廳印發《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》，明確提出了健全創新創業教育課程體系、改革教學方法和考核方式、強化創新創業實踐等具體措施。高職院校主要培養高等技術技能型人才，尤其是工科類高職專業更加強調學生的實踐能力。基于此，筆者以高職院校現有實訓室為基礎，著手設計一款4 mA~20 mA輸出的溫濕度傳感器，通過其設計過程培養學生實踐能力。

1 設計思路

在現代化工自動化控制系統中，檢測系統是化工自動化控制系統的眼睛和觸覺，其中溫度檢測和濕度檢測所采集的數據都是非常重要的檢測信息。在實際的現場檢測中溫度與濕度的測量信號是數字信號，需要把數字信號轉化成模擬信號才能進行傳感器的遠距離傳輸。在模擬信號傳輸中分為電壓傳輸和電流傳輸，與電壓傳輸相比，4 mA~20 mA的電流環具有較強的抗干擾能力，傳輸的距離比電壓的傳輸距離長，同時對壓降、線路阻抗、外界噪聲等干擾可以不需考慮，極大地提高了傳感器的傳輸性能。此次設計是基于模擬電流信號4 mA~20 mA的溫濕度傳感器設計，以C8051F410單片機為核心控制器，控制SHT15芯片對溫濕度進行測量，最后通過轉換電路把電壓轉換成電流，輸出為4 mA~20 mA電流信號[1]。

2 電路組成

溫濕傳感器的硬件電路由接口電路SHT15、C8051F410控制電路、V/I轉換電路組成電路，如圖1所示。其控制核心單片機C8051F410控制接口電路測量外界參數溫濕度，將外界溫濕度信號通過IDAC功能，將其數字量轉化成模擬電流量。主要將電路中的電阻通過公式轉換成相對應的電壓值，最后通過轉換電路把電壓轉換成電流，輸出為4 mA~20 mA電流信號[2]。

圖1 電路組成

3 硬件電路設計

3.1 SHT15接口電路設計

SHT15是一種溫濕度復合傳感器，其主要特點是輸出數字信號的信號已經過校準。該類型傳感器主要由測溫型能隙性元件和電容式聚合體測濕元件組成，外部電路上一個串行接口和14位的數字/模擬轉換器進行連接，同時與一個芯片進行無縫連接。電路與芯片連接的目的是提高其響應速度[3]，增加其抗干擾能力。

C8051F410單片機與濕度復合傳感器SHT15接口電路如圖2所示，兩者之間的通信使用串行二線接口，分別使用DATA和SCK實現。DATA主要功能是與單片機P0.2的I/O口連接為數據線。SCK主要功能是與單片機P0.3的I/O口連接為時鐘線。硬件連接中DATA為數據傳輸，主要是三態門。DATA數據線和SCK時鐘線外部接入一個一般為10 kΩ電阻，主要目的是為了保證信號傳輸和數據讀取穩定。去耦濾波可考慮使用0.1 μF的電容，在硬件連接電路中焊接在VCC和GND之間。

圖2 SHT15接口電路原理圖

3.2 C8051F410單片機外圍控制電路設計

C8051F410單片機時鐘頻率最高可達24.5 MHz，是一種功能強大且集成低功耗混合信號片。其功能豐富，管腳多，內部功能可以替代外部硬件，簡化外部的硬件連接，同時可以提高硬件集成度。

C8051F410型號核心控制器其硬件功能如下：供電方式為3.3 V電壓，其中電流輸出DAC分別為P0.0和P0.1兩路12位電流輸出[4]；IDAC設置輸出電流，其中最大輸出電流可以設置4種，分別為0.25 mA、0.5 mA、1.0 mA、2.0 mA。在IDAC寄存器中有使能或者禁止功能，對應的功能區分別是IDAOCN和IDAC1CN。IDAnOMD位對IDAC中的電流輸出有控制作用，具體設置方法如表1所示。

表1 IDAC滿量度輸出電流與IDAnOMD位設置

在試驗過程中，調整電路輸出電流，數值為2 mA，在軟件中進行編寫程序如下：

通過以上程序，可以通過C8051F410單片機控制電路外圍輸出電流為2.0 mA，具體單片機外圍控制電路如圖3所示。

圖3 C8051F410單片機外圍控制電路

C8051F410單片機的接口P0.2和P0.3與溫濕度復合傳感器SHT15具有數據傳輸的雙向性DATA數據線和SCK時鐘線相連[5]，此時C8051F410上的二線串行通信協議與I2C協議是不能相互通信的。軟件程序開始運行，軟件單片機中的啟動時序與硬件的啟動時序要一致，才能進行工作，具體的傳輸方法如圖4所示。具體的工作方式為：當SCK時鐘為高電平，通過DATA改變為低電平時，SCK也將變為低電平；當SCK高電平時，DATA也為高電平[6]。

圖4 SHT15啟動傳輸時序

溫濕度復合傳感器SHT15傳輸量為數字量，需要轉化成4 mA~20 mA模擬量，但轉換時是非線性，如果直接進行數字量與模擬量轉換[7]，會導致輸出的模擬量數值的線性度較差。為了保障SHT15溫濕度復合傳感器檢測后輸出模擬量信號的線性度，對檢測后的溫濕度具體數值映射到數字/模擬轉換中，具體的轉換映射關系如圖5所示。

圖5 濕度值與DA轉換數字量映射關系

由于數字量傳輸的溫濕度值需要進行映射，其數字量的范圍可以根據實際檢測范圍進行映射，最后SHT15測量溫濕度輸出的范圍是4 mA~20 mA電流信號，如果溫濕度映射值的數字量從Ox000開始，就需要比較復雜的外圍電路設計，主要是在后端電路增加電壓電流轉換前的電壓值，由于該設計煩瑣，故不采用。

綜上分析，單片機外圍控制電路設計中電流最大輸出2 mA，其輸出范圍的確定是采用IDAC功能將模擬電流量與數字量映射一一對應確定的。硬件電路設計中需有端口輸出電流，使用單片機P0.0和P0.1端口，同時應考慮下一步中的電壓、電流轉換電路，所以在單片機中的電路中加入電阻R22和R11，主要目的是把電流值轉換成電壓值。

3.3 V/I轉換電路設計

V/I轉換電路主要目的是把電壓轉換成標準的4 mA~20 mA電流信號，同時保證電流信號輸出與負載無關。通過前期設計了V/I轉換電路，如圖6所示。

圖6 初步設計的V/I轉換電路

在圖6的電路設計中，使用了U1和U2兩路運算放大器，U1運算放大器主要作用是同相加法器，U2運算放大器主要作用是電壓跟隨器，起到阻抗變換作用[8]。上圖電路中的原理可以做如下推導：

公式（1）~（3）中，令K=R5/R8=R12/R13，改變外部條件，輸入電壓、電流取值趨近于零，則U1和U2運算放大器按照理想情況計算。

則上述公式（1）~（3）可以簡化得：

通過上面公式推導可以得出以下結論，輸出電流與輸入端的電壓、電阻R20、電阻阻值比K、V/I轉換電路有關，與外接電阻無關。通過保持電阻R20與電阻阻值比K不變，保持輸入電壓恒值，可以保證輸出電流恒定。

在滿足以上的恒流條件下，需要在輸出電路中安裝NPN三極管，其目的是加強輸出電流的驅動能力，改進電路如圖7所示。在實物驗證前通過Multisin13.0軟件進行仿真，最后的仿真結果如下：通過在電路中安裝NPN三極管可以加強輸出電流的驅動能力，由于NPN三極管中基極電流較小，同時負載電流也會變小。圖7中的D2為整流二極管，主要作用為保護與提高電流流通能力[9]。

圖7 改進的I/V轉換電路

4 測試與分析

通過軟件與硬件的設計后，需要對所設計的溫濕度傳感器進行性能測試，通過使用標準溫濕度探頭（精度1.0% RH）、儀器熱電偶溫度計（精度0.5 ℃）對設計的溫濕度傳感器中的濕度、溫度分別進行測試與分析。

測試溫度精度時將溫濕度傳感器與標準熱電偶放置在同一個溫度源中，通過改變溫度源中溫度高低，在一段時間溫度穩定后記錄標準儀表與溫濕度傳感器中測溫端輸出電流，標定結果如表2所示。同時對測量結果做最小二乘法擬合，結果如圖8所示。

圖8 溫度值與輸出電流擬合直線

表2 溫度標定結果

通過圖8中輸出電流的擬合直線計算得出其非線性的度0.41%，滿足性能要求。通過輸出電流等相關要素反推溫度，與溫度實際值進行對比計算出其誤差值，可以反映溫度測量的精確度，結果如表3所示。

表3 溫度測量精度分析

從表3的數據分析可以得出：檢測溫度范圍-40℃～40 ℃時，測量值與輸出值為線性關系，測量精度為±0.5 ℃。

測試濕度精度時用標準儀表與溫濕度傳感器測量當前環境濕度，在一段時間濕度穩定后記錄標準儀表與溫濕度傳感器中測量濕度端輸出值，測量結果如表4所示，對測量的濕度結果進行擬合，如圖9所示。

圖9 濕度值與輸出電流擬合直線

表4 濕度標定結果

上圖中擬合直線非線性的度經過計算為0.75%，能夠滿足設計指標。通過擬合直線公式反推濕度測量值的誤差情況，結果如表5所示。

從表5數據分析可以得出：濕度測量范圍0~100% RH時，傳感器濕度測量精度為±0.721%RH，并且其測量信號與輸出電流呈線性關系。

表5 濕度測量精度分析

5 結論

在學生實踐中利用溫濕度傳感器設計，與教師實時指導相結合，不僅學生在實踐中能夠獲得較好的理論收獲，同時也提高了學生的實踐能力，對于現有的學生創新創業具有較大的借鑒作用[10]。