閔振輝

基于C8051F020的露點測量系統(tǒng)的研究

閔振輝

煤礦空壓機(jī)一類的壓氣設(shè)備往往需要對濕度進(jìn)行測量，而露點可以很好的表明空氣濕度。提出了一種以集成溫、濕度傳感器SHT75和C8051F020單片機(jī)為核心，結(jié)合液晶顯示器、鍵盤和通訊芯片組成的露點測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同場合的溫度和濕度信號的測量和采集。

露點測量;濕度傳感器;芯片間總線

一 引言

空氣的濕度對于大量應(yīng)用的壓氣設(shè)備、制冷設(shè)備和科學(xué)儀器有著明顯的影響。為了保證這些設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，必須對濕度進(jìn)行可靠的監(jiān)測，并為采取進(jìn)一步措施提供依據(jù)。露點可以很好的表明當(dāng)前空氣的濕度情況，但由于以往的露點儀因測量時間、體積、元件以及對環(huán)境的要求等原因，不能很好的適應(yīng)不同環(huán)境的需求。隨著數(shù)字式集成溫、濕度傳感器的普遍應(yīng)用以及單片機(jī)性能的不斷提高，為低成本、高度適應(yīng)性和進(jìn)行較快速測量轉(zhuǎn)換的露點測量系統(tǒng)的產(chǎn)生提供的有利條件。

二 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.SHT75溫濕度傳感器。

SHT75溫濕度傳感器采用Sensirio公司專利的CMOSen技術(shù)，將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、兩線串行接口全部集成于一芯片內(nèi)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 SHT75內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯。最后通過兩線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至CPU，再利用CPU完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1，內(nèi)部包括一個電容式聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，二者通過運(yùn)算放大器與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個串行接口電路設(shè)計在同一個芯片上面。每個傳感器芯片都通過精確標(biāo)定得到校準(zhǔn)系數(shù)，以程序形式存儲在芯片本身的OTP內(nèi)存中;兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。

SHT75溫濕度傳感器采用4針的單排引腳形式包裝，傳感器頭部通過橋接方式實現(xiàn)于引腳的連接，以降低熱傳導(dǎo)及加速相應(yīng)時間。其輸入包括2.4～5.5V電源供電和串行時鐘SCK輸入，輸出為數(shù)字式雙向串行數(shù)據(jù)。

2.C8051F020微處理器。

為了提高測量速度，同時降低系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)作為微處理器。C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號片上系統(tǒng)SOC(System on chip)，具有與MCS－51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。正是由于其體積小、集成度高、功能多、配置容易、使用方便等特點，已被廣泛應(yīng)用于智能儀表、數(shù)據(jù)采集、自動化控制等領(lǐng)域。

選用C8051F020單片機(jī)作為微處理器，除了因為其集成了A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)看門狗定時器和VDD監(jiān)視器以外，最主要的是其采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12－24MHz。而對于C8051F系列單片機(jī)，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。大大提高了微處理器的處理速度。

3.系統(tǒng)硬件框圖。

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。整個系統(tǒng)包括數(shù)字溫濕度傳感器、單片機(jī)、LCD顯示器、鍵盤以及通訊接口等部分組成。

圖2 露點測量系統(tǒng)硬件框圖

采用HD7279A作為鍵盤接口是為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高露點間接測量的速度。LCMl2232A是圖形點陣式液晶顯示模塊，用來實時顯示當(dāng)前的露點值，它的顯示內(nèi)容為7.5×2行，顯示的位數(shù)足夠本系統(tǒng)使用。通訊接口采用RS－485標(biāo)準(zhǔn)，以向上位機(jī)傳輸采集到的濕度信息，并接收上位機(jī)的指令。

三 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.濕度測量基本過程。

由于采用二線串行接口，對于SHT75的操作按照嚴(yán)格時序，共有5條用戶命令，分別是測量溫度命令(03H)、測量濕度命令(05H)、讀寄存器狀態(tài)命令(07H)、寫寄存器狀態(tài)命令(06H)和軟啟動命令(IEH)。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)并僅在SCK時鐘上升沿有效。SHT75上電后進(jìn)入休眠模式，首先應(yīng)發(fā)送一個“啟動”時序，喚醒芯片。即在SCK為高時使DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個SCK為高時將DATA升高。微控器發(fā)出測量命令后就等待測量完成，為表明測量完成，SHT75將數(shù)據(jù)線拉成低電平。微控器重新啟動SCK，SHT75就傳送兩字節(jié)的測量數(shù)據(jù)與一字節(jié)的CRC數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)的順序是從最高位(MSB)到最低位(LSB)。微控器接收到每個字節(jié)后，必須將數(shù)據(jù)線拉成低電平，為每個字節(jié)產(chǎn)生應(yīng)答信號ACK。CRC寄存器判定測量過程是否發(fā)生錯誤。一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，微控器就發(fā)送軟啟動命令，重新進(jìn)行測量。

2.露點的計算。

為了得到精度較高的露點值，必須對從SHT75所得到的相對濕度和溫度信號進(jìn)行預(yù)處理。

本設(shè)計中濕度為12位，故采用式(1)進(jìn)行修正。

其中:RHL——線性修正值;

RH—— 側(cè)量值。

溫度補(bǔ)償可以采用式(2)進(jìn)行。

其中:RHT——為經(jīng)過溫度補(bǔ)償后得到的濕度值;

t1=0.01;t2=0.00008

溫度線性化補(bǔ)償公式，如式(3)

露點的計算過程:

其中:為飽和水蒸氣壓強(qiáng);DP為所求的露點。

程序采用C語言編寫，有主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、線性化子程序、溫度補(bǔ)償子程序、露點計算子程序、鍵盤子程序、顯示子程序和通訊子程序組成。

四 結(jié)論

本系統(tǒng)具有電路簡單、功耗低和轉(zhuǎn)換速度較快等優(yōu)點。非常適合應(yīng)用于需要露點測量的壓氣系統(tǒng)中，也可以對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的其它領(lǐng)域。具有很好的應(yīng)用前景。

1.Datasheet of SHT1x/SHT7x Humidity＆Temperature Sensor V2.02［EB］，http://www.dabeco.com.cn/de.htm，2004年7月

2.潘琢金孫德龍夏秀峰:C8051F單片及應(yīng)用解析［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002年

3.BOB HARDY.The proceedings of the third international symposium on humidity＆moisture［C］.London:Teddington，1998:27－29

Research of Dew Point Measurement System Based on C8051F020

Min Zhenhui

It is required to measure the humidity of air for the operation of equipments like colliery air compressor.The humidity of air is indicated by dew point.The paper provides a measurement system which using SHT75，C8051F020，LCD，keyboard and communication IC to calculate dew point.The system supplied in the paper can measure the temperature and the humidity under many circumstances.

measurement of dew point;humidity sensor;inter IC bus

TD727+.1

A

1672－6758(2010)03－0059－2

閔振輝，在讀碩士，講師，黑龍江科技學(xué)院，黑龍江·哈爾濱。郵政編碼:150027

Class No.:TD727+.1Document Mark:A

(責(zé)任編輯:張欽祥 蔡雪嵐)