杭建東

摘要：本文介紹了一種智能濕度傳感器HIH9131在電廠煙氣濕度測量的應(yīng)用方法，不僅提高7該領(lǐng)域的測量精度和穩(wěn)定性，還為電廠實(shí)現(xiàn)煙氣的超低排放提供了幫助。

關(guān)鍵詞：智能傳感器濕度SPI接口

近年來，我國大多數(shù)城市的大氣環(huán)境質(zhì)量超過國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。2014年9月，發(fā)改委、環(huán)保部和能源局發(fā)布了發(fā)改委能源（2014）2093號文，提出了燃煤電廠實(shí)現(xiàn) “超低排放”的要求和時(shí)間表。由于工業(yè)排放的煙氣并不是理想的干煙氣，總是含有一定的水分。煙氣中的水分來源包括以下幾部分：一是燃料以結(jié)合水或外在水的形式帶來的水分，在燃料燃燒過程中蒸發(fā)形成的水蒸氣;二是燃燒時(shí)鼓入鍋爐內(nèi)的空氣攜帶的水分;三是燃料中所含有的碳?xì)浠衔镌谌紵龝r(shí)被氧化生成的水;四是在脫硫（FGD）時(shí)的水汽與煙氣混合。而煙氣含濕量是煙氣參數(shù)中最難測量的一個(gè)參數(shù)，煙氣的含濕量對于煙氣的脫硫、除塵等工藝都有比較大的影響，所以它成為煙氣污染源監(jiān)測中的一個(gè)必測因子，其測量的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到污染物排放總量、濃度計(jì)算及煙氣凈化系統(tǒng)效率的評估。但在目前電廠濕度測量中，普遍的測量精度是±3%，而且還有穩(wěn)定性不高、測量探頭更換頻率高等問題，因此選擇一種高精度、高可靠性、耐腐蝕的濕度傳感器至關(guān)重要。

1 Honeywel¨l智能溫濕度HIH9131傳感器

隨著近幾年智能傳感器的大力發(fā)展，目前市場上推出了內(nèi)部帶有微處理器的智能濕度傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它可以通過軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低;具有一定的編程自動(dòng)化能力;具有通信與板載診斷功能。在智能傳感器領(lǐng)域，HoneyWell公司一直是走在世界的前列。經(jīng)過比較，我們選擇了Honeywell公司HIH9131，作為本應(yīng)用的溫濕度傳感器。

1.1傳感器HIH9131的特點(diǎn)

Honeywell數(shù)字式溫濕度HIH9131傳感器，具有如下特點(diǎn)：

（1）業(yè)界領(lǐng)先的長期穩(wěn)定性。傳感器在使用壽命期間不需要保養(yǎng)或更換，從而優(yōu)化了系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。傳感器在使用中不需要定期進(jìn)行復(fù)雜而又昂貴的二次校準(zhǔn)。

（2）業(yè)界領(lǐng)先的可靠性。熱固聚合物電容式感應(yīng)元件的多層結(jié)構(gòu)，使得傳感器對冷凝、灰塵、污垢、油類和一般環(huán)境化學(xué)品等，具有出色的抵抗力。

（3）將相對濕度傳感器和溫度傳感器組合在同一個(gè)封裝內(nèi)。這種組合式溫濕度傳感器，不但可以對相對濕度測量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而且還可以提供第二路獨(dú)立的溫度傳感器輸出。

（4）真實(shí)的帶溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)字I2C或SPI輸出。這種集成的功能，可避免因在PCB板上安裝多個(gè)信號處理器件可能出現(xiàn)的問題，簡化與微處理器之間的集成，并使客戶無需進(jìn)行復(fù)雜的信號處理。

（5）高精度測量：濕度精度±1.7%RH，溫度精度+0.3℃

（6）低工作電源?？稍?.3VDC低電壓下工作，提高了電源的抗干擾能力。

（7）低功耗。應(yīng)用過程不進(jìn)行測量時(shí)，傳感器便進(jìn)入休眠模式。在工作狀態(tài)下耗電650uA，而休眠模式下僅為luA。有助于電池供電和減輕設(shè)備重量。

（8）高分辨率。應(yīng)用中的濕度和溫度傳感器分辨率高達(dá)14位，可幫助用戶系統(tǒng)探測出最微小的溫度或相對濕度變化。

1.2傳感器HIH9131的溫濕度測量

考慮到小體積更適合于本項(xiàng)目，我們選用了soc封裝的HIH9131作為本項(xiàng)目的溫濕度傳感器。由于該智能傳感器內(nèi)部含有微處理器，它不但可以利用采樣到的溫度值對實(shí)時(shí)濕度值進(jìn)行內(nèi)部自動(dòng)補(bǔ)償，從而提高濕度的測量精度，而且還可以將最終的溫濕度值以SPI總線的方式向外串行發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣既可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，還可以提高串行通訊的可靠性。

HIH9131有八個(gè)管腳，它分別代表的含義是：

Vcore

通過O.luF電容接地

Vss

電源地

ss

從器件選擇

SCLK

串行時(shí)鐘

MISO

主器件輸入，從器件輸出

AL_L

低濕度報(bào)警輸出

NC

空腳

Vdd

電源正

ss、SCLK、MISO為傳感器的SPI總線。ss起片選作用，SCLK產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，MISO相當(dāng)于數(shù)據(jù)線。其與外界CPU產(chǎn)生串行通訊的時(shí)序如圖一所示。在滿足該時(shí)序的情況下，我們就可以從MISO讀出采樣數(shù)據(jù)包。每個(gè)包內(nèi)含有四個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)包的格式是：[{S（1：O），C（13：8）}，{C（7：O）），{T（13：6）}，{T（5：O），xx}]，

這里S（1：O）

數(shù)據(jù)包的狀態(tài)位

C（13：8） 14位濕度數(shù)據(jù)的高6位

C（710） 14位濕度數(shù)據(jù)的低8位

T（13：6）

14位溫度數(shù)據(jù)的高8位

T（5：O），xx 14位溫度數(shù)據(jù)的低6位，多余位

HiZ

高阻狀態(tài)

通過該SPI總線，單片機(jī)可以采樣到傳感器輸出的14位濕度和溫度碼，按照以下的公式（1），可換算出當(dāng)前的相對濕度值（%RH）：

濕度的14位輸出濕度（%RH）=一- * 100

（1）

2H 2

同樣，按照以下的公式（2），可換算出當(dāng)前的溫度值（℃）：

溫度的14位輸出溫度（℃）=——-*165 - 40

（2）

2H一2

2硬件構(gòu)成

由于電廠煙道環(huán)境惡劣，現(xiàn)場存在很強(qiáng)的電磁場干擾，所以我們在選擇CPU時(shí)，要求芯片具有很強(qiáng)的抗電磁場干擾能力，而且一旦CPU死機(jī)了，內(nèi)置的看門狗電路能自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號，喚醒CPU重新工作。經(jīng)過比較，我們選用了STC公司的STC15F2K16S2作為本項(xiàng)目的CPU。該CPU不需要外部晶振和復(fù)位電路，內(nèi)置看門狗電路、EEPROM電路、FLASH程序存儲(chǔ)器，具有超強(qiáng)的抗干擾能力，基本滿足了我們的設(shè)計(jì)要求。

如圖二所示，是傳感器與CPU的硬件連接圖。為了進(jìn)一步提高煙氣濕度測量的可靠性，防止現(xiàn)場干擾信號竄人到CPU，影響CPU的穩(wěn)定性， 我們設(shè)計(jì)了兩組獨(dú)立的5v電源。一組給CPU供電，另一組給傳感器供電，兩者之間的SPI通訊通過光耦電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于SCLK的時(shí)鐘頻率較高，所以我們選用的光耦是HllLl高速光耦電路。這樣既不影響傳輸速率，也起到了電信號隔離的作用。

考慮到篇幅有限，在本文的硬件電路中，我們省略了與CPU相連接的顯示電路。因此相應(yīng)的顯示功能在此不進(jìn)行討論。

3軟件框圖

本項(xiàng)目的軟件流程圖如圖三所示，它由主程序和讀取MISO單字節(jié)子程序組成。在主程序中，按照圖一的時(shí)序圖，先對HIH9131傳感器發(fā)出ss片選信號，再產(chǎn)生SCLK的時(shí)鐘脈沖，然后就分別讀取濕度數(shù)據(jù)的高八位和低八位、溫度數(shù)據(jù)的高八位和低八位。由于溫度數(shù)據(jù)高八位的最高兩個(gè)位是數(shù)據(jù)包的狀態(tài)碼，所以數(shù)據(jù)包讀進(jìn)來后，需要先判斷狀態(tài)碼正確與否。如狀態(tài)碼不正確，就把數(shù)據(jù)包扔掉。如狀態(tài)碼正確，就把數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)起來。接下來就要對有效的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。先把數(shù)據(jù)包的兩位狀態(tài)碼，從濕度高八位中踢除，再與濕度的低八位數(shù)據(jù)合并成一個(gè)14位濕度碼，根據(jù)公式（1）計(jì)算出實(shí)時(shí)的相對濕度值。由于溫度的低八位數(shù)據(jù)中最后兩位是無效位，所以需要將溫度的十六位數(shù)據(jù)右移兩位，獲得

有效的14位溫度碼，再根據(jù)公式（2）計(jì)算出實(shí)時(shí)的溫度值。該溫度值雖然本項(xiàng)目

中用不到，但是可以送給電廠DCS系統(tǒng)和煙氣分析儀，在此就不展開來陳述了o在讀取MISO單字節(jié)子程序中，先給HIH9131傳感器發(fā)一個(gè)脈沖，再從MISO讀入第一位數(shù)據(jù)。然后給傳感器發(fā)第二個(gè)脈沖，再從MISO讀人第二位數(shù)據(jù)。這樣以此類推，就可以從MISO中都取到一個(gè)字節(jié)的八位數(shù)據(jù)T。

4現(xiàn)場使用結(jié)論和展望

由HIH9131智能傳感器構(gòu)成的電廠煙氣濕度測量儀，已經(jīng)分別在上海吳涇發(fā)電廠2#爐和淮南田家庵發(fā)電廠4#爐得到了成功使用。現(xiàn)場運(yùn)行近一年來表明，濕度測量的精度得到了提高，由原來的平均+3%提高到了±1.7%左右。同時(shí)還具有穩(wěn)定性好、可靠性高、壽命長的特點(diǎn)，從而克服了市場上濕度測量探頭三個(gè)月就需要更換的弊病。

要想獲得市場的認(rèn)可，我們還需要開發(fā)一些其他的功能，比如要增加溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。由于電廠煙氣濕度測量需要安裝在高空的水平煙道上通常離開地面有幾十米高如果有無線通訊功能，運(yùn)維人員在地面就可以獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這樣就不需要爬高To這就要求我們下一步，從功能上做進(jìn)一步的完善。

參考文獻(xiàn)

[1]杜深慧，溫濕度檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn){D}.河北：華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：45-46.

[2]姚國年，劉自強(qiáng)，彭建蘭.同一環(huán)境下多點(diǎn)溫濕度測量誤差的分析[J].控制工程.2002，09（03）：43-47.

[3]劉東文.嵌入式溫濕度控制器的研究與設(shè)計(jì)[D]，貴州：貴州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008：5-7.

[4]陳貴銀，單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京電子工業(yè)大學(xué)出版社，2011：230-240.

[5] Hiro Yamasaki. The future of sensor interface electronics[J].Sensors and actuators A，2011.（56）：129-133.

[6] Ernest O.Doebelin. Measurement Systems： Application andDesign[M].America：McGraW-HILL BOOK COMPANY，2010：26-41.