王升升

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

2015年5月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》，明確提出了健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系、改革教學(xué)方法和考核方式、強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐等具體措施。高職院校主要培養(yǎng)高等技術(shù)技能型人才，尤其是工科類(lèi)高職專(zhuān)業(yè)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力?；诖?，筆者以高職院校現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)室為基礎(chǔ)，著手設(shè)計(jì)一款4 mA~20 mA輸出的溫濕度傳感器，通過(guò)其設(shè)計(jì)過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力。

1 設(shè)計(jì)思路

在現(xiàn)代化工自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，檢測(cè)系統(tǒng)是化工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的眼睛和觸覺(jué)，其中溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)所采集的數(shù)據(jù)都是非常重要的檢測(cè)信息。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中溫度與濕度的測(cè)量信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，需要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)才能進(jìn)行傳感器的遠(yuǎn)距離傳輸。在模擬信號(hào)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(huán)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸?shù)木嚯x比電壓的傳輸距離長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)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(shè)計(jì)是基于模擬電流信號(hào)4 mA~20 mA的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)，以C8051F410單片機(jī)為核心控制器，控制SHT15芯片對(duì)溫濕度進(jìn)行測(cè)量，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路把電壓轉(zhuǎn)換成電流，輸出為4 mA~20 mA電流信號(hào)[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(zhuǎn)換電路組成電路，如圖1所示。其控制核心單片機(jī)C8051F410控制接口電路測(cè)量外界參數(shù)溫濕度，將外界溫濕度信號(hào)通過(guò)IDAC功能，將其數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電流量。主要將電路中的電阻通過(guò)公式轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓值，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路把電壓轉(zhuǎn)換成電流，輸出為4 mA~20 mA電流信號(hào)[2]。

圖1 電路組成

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 SHT15接口電路設(shè)計(jì)

SHT15是一種溫濕度復(fù)合傳感器，其主要特點(diǎn)是輸出數(shù)字信號(hào)的信號(hào)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。該類(lèi)型傳感器主要由測(cè)溫型能隙性元件和電容式聚合體測(cè)濕元件組成，外部電路上一個(gè)串行接口和14位的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，同時(shí)與一個(gè)芯片進(jìn)行無(wú)縫連接。電路與芯片連接的目的是提高其響應(yīng)速度[3]，增加其抗干擾能力。

C8051F410單片機(jī)與濕度復(fù)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(shí)現(xiàn)。DATA主要功能是與單片機(jī)P0.2的I/O口連接為數(shù)據(jù)線。SCK主要功能是與單片機(jī)P0.3的I/O口連接為時(shí)鐘線。硬件連接中DATA為數(shù)據(jù)傳輸，主要是三態(tài)門(mén)。DATA數(shù)據(jù)線和SCK時(shí)鐘線外部接入一個(gè)一般為10 kΩ電阻，主要目的是為了保證信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)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(jī)外圍控制電路設(shè)計(jì)

C8051F410單片機(jī)時(shí)鐘頻率最高可達(dá)24.5 MHz，是一種功能強(qiáng)大且集成低功耗混合信號(hào)片。其功能豐富，管腳多，內(nèi)部功能可以替代外部硬件，簡(jiǎn)化外部的硬件連接，同時(shí)可以提高硬件集成度。

C8051F410型號(hào)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(shè)置輸出電流，其中最大輸出電流可以設(shè)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(duì)應(yīng)的功能區(qū)分別是IDAOCN和IDAC1CN。IDAnOMD位對(duì)IDAC中的電流輸出有控制作用，具體設(shè)置方法如表1所示。

表1 IDAC滿量度輸出電流與IDAnOMD位設(shè)置

在試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整電路輸出電流，數(shù)值為2 mA，在軟件中進(jìn)行編寫(xiě)程序如下：

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

圖3 C8051F410單片機(jī)外圍控制電路

C8051F410單片機(jī)的接口P0.2和P0.3與溫濕度復(fù)合傳感器SHT15具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向性DATA數(shù)據(jù)線和SCK時(shí)鐘線相連[5]，此時(shí)C8051F410上的二線串行通信協(xié)議與I2C協(xié)議是不能相互通信的。軟件程序開(kāi)始運(yùn)行，軟件單片機(jī)中的啟動(dòng)時(shí)序與硬件的啟動(dòng)時(shí)序要一致，才能進(jìn)行工作，具體的傳輸方法如圖4所示。具體的工作方式為：當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平，通過(guò)DATA改變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，SCK也將變?yōu)榈碗娖?；?dāng)SCK高電平時(shí)，DATA也為高電平[6]。

圖4 SHT15啟動(dòng)傳輸時(shí)序

溫濕度復(fù)合傳感器SHT15傳輸量為數(shù)字量，需要轉(zhuǎn)化成4 mA~20 mA模擬量，但轉(zhuǎn)換時(shí)是非線性，如果直接進(jìn)行數(shù)字量與模擬量轉(zhuǎn)換[7]，會(huì)導(dǎo)致輸出的模擬量數(shù)值的線性度較差。為了保障SHT15溫濕度復(fù)合傳感器檢測(cè)后輸出模擬量信號(hào)的線性度，對(duì)檢測(cè)后的溫濕度具體數(shù)值映射到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換中，具體的轉(zhuǎn)換映射關(guān)系如圖5所示。

圖5 濕度值與DA轉(zhuǎn)換數(shù)字量映射關(guān)系

由于數(shù)字量傳輸?shù)臏貪穸戎敌枰M(jìn)行映射，其數(shù)字量的范圍可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)范圍進(jìn)行映射，最后SHT15測(cè)量溫濕度輸出的范圍是4 mA~20 mA電流信號(hào)，如果溫濕度映射值的數(shù)字量從Ox000開(kāi)始，就需要比較復(fù)雜的外圍電路設(shè)計(jì)，主要是在后端電路增加電壓電流轉(zhuǎn)換前的電壓值，由于該設(shè)計(jì)煩瑣，故不采用。

綜上分析，單片機(jī)外圍控制電路設(shè)計(jì)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(shù)字量映射一一對(duì)應(yīng)確定的。硬件電路設(shè)計(jì)中需有端口輸出電流，使用單片機(jī)P0.0和P0.1端口，同時(shí)應(yīng)考慮下一步中的電壓、電流轉(zhuǎn)換電路，所以在單片機(jī)中的電路中加入電阻R22和R11，主要目的是把電流值轉(zhuǎn)換成電壓值。

3.3 V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

V/I轉(zhuǎn)換電路主要目的是把電壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4 mA~20 mA電流信號(hào)，同時(shí)保證電流信號(hào)輸出與負(fù)載無(wú)關(guān)。通過(guò)前期設(shè)計(jì)了V/I轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。

圖6 初步設(shè)計(jì)的V/I轉(zhuǎn)換電路

在圖6的電路設(shè)計(jì)中，使用了U1和U2兩路運(yùn)算放大器，U1運(yùn)算放大器主要作用是同相加法器，U2運(yùn)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(dǎo)：

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(yùn)算放大器按照理想情況計(jì)算。

則上述公式（1）~（3）可以簡(jiǎn)化得：

通過(guò)上面公式推導(dǎo)可以得出以下結(jié)論，輸出電流與輸入端的電壓、電阻R20、電阻阻值比K、V/I轉(zhuǎn)換電路有關(guān)，與外接電阻無(wú)關(guān)。通過(guò)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(qiáng)輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力，改進(jìn)電路如圖7所示。在實(shí)物驗(yàn)證前通過(guò)Multisin13.0軟件進(jìn)行仿真，最后的仿真結(jié)果如下：通過(guò)在電路中安裝NPN三極管可以加強(qiáng)輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力，由于NPN三極管中基極電流較小，同時(shí)負(fù)載電流也會(huì)變小。圖7中的D2為整流二極管，主要作用為保護(hù)與提高電流流通能力[9]。

圖7 改進(jìn)的I/V轉(zhuǎn)換電路

4 測(cè)試與分析

通過(guò)軟件與硬件的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)所設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器進(jìn)行性能測(cè)試，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)溫濕度探頭（精度1.0% RH）、儀器熱電偶溫度計(jì)（精度0.5 ℃）對(duì)設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器中的濕度、溫度分別進(jìn)行測(cè)試與分析。

測(cè)試溫度精度時(shí)將溫濕度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶放置在同一個(gè)溫度源中，通過(guò)改變溫度源中溫度高低，在一段時(shí)間溫度穩(wěn)定后記錄標(biāo)準(zhǔn)儀表與溫濕度傳感器中測(cè)溫端輸出電流，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果做最小二乘法擬合，結(jié)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(biāo)定結(jié)果

通過(guò)圖8中輸出電流的擬合直線計(jì)算得出其非線性的度0.41%，滿足性能要求。通過(guò)輸出電流等相關(guān)要素反推溫度，與溫度實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算出其誤差值，可以反映溫度測(cè)量的精確度，結(jié)果如表3所示。

表3 溫度測(cè)量精度分析

從表3的數(shù)據(jù)分析可以得出：檢測(cè)溫度范圍-40℃～40 ℃時(shí)，測(cè)量值與輸出值為線性關(guān)系，測(cè)量精度為±0.5 ℃。

測(cè)試濕度精度時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)儀表與溫濕度傳感器測(cè)量當(dāng)前環(huán)境濕度，在一段時(shí)間濕度穩(wěn)定后記錄標(biāo)準(zhǔn)儀表與溫濕度傳感器中測(cè)量濕度端輸出值，測(cè)量結(jié)果如表4所示，對(duì)測(cè)量的濕度結(jié)果進(jìn)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(biāo)定結(jié)果

上圖中擬合直線非線性的度經(jīng)過(guò)計(jì)算為0.75%，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)擬合直線公式反推濕度測(cè)量值的誤差情況，結(jié)果如表5所示。

從表5數(shù)據(jù)分析可以得出：濕度測(cè)量范圍0~100% RH時(shí)，傳感器濕度測(cè)量精度為±0.721%RH，并且其測(cè)量信號(hào)與輸出電流呈線性關(guān)系。

表5 濕度測(cè)量精度分析

5 結(jié)論

在學(xué)生實(shí)踐中利用溫濕度傳感器設(shè)計(jì)，與教師實(shí)時(shí)指導(dǎo)相結(jié)合，不僅學(xué)生在實(shí)踐中能夠獲得較好的理論收獲，同時(shí)也提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，對(duì)于現(xiàn)有的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)具有較大的借鑒作用[10]。