一種基于單片機的濕度傳感器校準實驗平臺設計與實現*

陶佰睿，顧 丁，苗鳳娟，張冬梅，劉文慧，彭立志

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006)

在社會生活和產品生產過程中，測量儀表的工作狀態都必須定期校驗，以確保其性能穩定。特別是濕度傳感器工作中常與空氣中的灰塵或化學物質接觸，受工作時間以及環境溫度變化和機械振動等因素影響，會導致濕度傳感器產生測量誤差［1－3］。即使是新制作的濕度傳感器，因工藝過程或材料參數等不能完全一致，為了提高傳感器精度，在封裝前也要求對其進行重新標定［3］。例如Sun等利用濕敏元件的電阻值、電容值變化的特性對濕度的測量方法實現了對HMP45D溫濕度傳感器校準［4］;Chen等采用溫度對比法和干濕氣混合方法研制出便攜式溫濕度一體校準儀［5］;Sun等采用軟件通過溫度補償和線性化處理，能夠實現相對濕度傳感器THS110的校準［6］。而基于國家規范的濕度傳感器校準儀器設備比較昂貴，且操作過程繁瑣。以上濕度傳感器校準設備還存在數據處理過程復雜，使用環境受限等缺點，其應用受到限制［7］。因此，如何設計一種精度高、成本低，便于攜帶，操作簡單的濕度傳感器校準平臺對教學和科研意義重大。

1 濕度檢測及濕度傳感器校準

1.1 濕度傳感器校準實驗平臺功能設計

濕度傳感器校準實驗平臺主要包括標準濕度環境腔室和控制系統兩部分。校準腔室四壁材質為不透明絕熱泡沫板，其四壁通過安裝導流風扇來強化腔室內空氣流動均勻，風速控制在2.5 ms－1，同時通過對半導體制冷片和PTC陶瓷加熱器實時控制來實現腔室內25℃恒溫控制，其功能組成如圖1所示。

圖1 濕度傳感器實驗平臺功能示意圖

1.2 飽和鹽溶液標準濕度環境構建

校準腔室內不同等級濕度環境通過七種金屬鹽的飽和溶液實現。25℃、1 atm條件下，不同飽和鹽溶液構建腔室內空氣標準濕度如表1所示［8－9］。該標準濕度環境通過Testo 635型高精度溫度計7次測量后，相對濕度標準差不超過4%，表明該金屬飽和鹽溶液構建的不同等級標準濕度環境切實可行。

2 系統硬件電路設計

2.1 系統硬件功能設計

系統硬件電路主要由單片機控制電路、溫度控制電路、溫度傳感器電路、I/O電路等組成，其功能框圖如圖2所示。

系統采用STC89C52單片機為核心控制單元，4×4矩陣鍵盤作為輸入單元，12864液晶顯示器作為當前腔室環境溫度和濕度測量值顯示輸出單元。一路DS18B20數字溫度傳感器作為腔室環境溫度測量，其測量值實時送單片機處理，通過單片機控制PTC陶瓷加熱器和半導體制冷器工作，保持環境溫度恒溫在25℃。挑選性能參數一致的一對18B20數字溫度傳感器組裝成干濕球溫度計，作為系統相對濕度輔助測量裝置，其溫度差通過單片機內程序轉換為相對濕度值輸出［9－11］。

圖2 系統硬件功能框圖

2.2 溫度檢測電路設計

通過鍵盤預置環境溫度參數為25℃，單片機通過中斷或查詢方式獲取DS18B20傳感器測量值，然后控制繼電器啟動半導體制冷器或PTC陶瓷加熱器進行升溫和降溫。DS18B20溫度采集電路連接如圖3所示。

圖3 溫度采集電路

表1 金屬鹽飽和溶液標準濕度環境(@25℃，1 atm)

2.3 恒溫控制電路設計

恒溫控制模塊包括:加熱與降溫電路、恒溫系統電路、氣體平衡電路。分別采用半導體制冷片和PTC陶瓷加熱器來對校準腔室進行降溫或升溫;通過內壁的導流風扇可以使校準腔內的空氣快速達到平衡［12］。半導體制冷片、PTC陶瓷加熱器和風扇都采用直流12 V供電，繼電器驅動，其電路連接如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統軟件工作主要流程包括五個步驟:系統初始化，顯示輸出，鍵盤掃描，溫濕度檢測和恒溫控制［13］，主程序流程圖如圖5所示。

3.1 恒溫控制程序子程序

恒溫控制部分主要用于控制腔內的溫度，當溫度低于設定值時由PTC陶瓷加熱器自動加熱，使其升溫到標準溫度25℃，該程序采用分段模糊控制，可以通過判斷當前環境溫度與預置溫度差值大小，采用對PTC陶瓷片施加不同電壓和工作時間，使其快速達到平衡溫度。當環境溫度高于預置溫度時，由制冷片自動制冷，降低腔內溫度。其系統流程圖如圖6所示。

圖4 繼電器驅動電路

圖5 軟件設計總流程圖

圖6 恒溫控制程序流程圖

3.2 液晶顯示子程序

主要用于顯示當前溫度傳感器檢測出的腔內溫度、設定溫度的值、濕度傳感器、干濕球濕度計的示值、及在國標下不同溫度下的濕度，最終顯示相對誤差。

3.3 溫度檢測子程序

使用DS18B20溫度傳感器進行實時檢測溫度、采集溫度控制恒溫裝置以保持溫度平衡。其系統流程圖及其控制程序流程如圖7所示。

圖7 溫度檢測程序流程圖

3.4 濕度檢測子程序

使用通過DS18B20對管構建的干濕球溫度計對腔室內濕度進行檢測［14］，同時通過已知的飽和鹽溶液等級作為參考。對擬校準濕度傳感器，通過調理電路:例如對電容型模擬類濕度傳感器件通過555振蕩電路［15］，對電阻型模擬類濕度傳感器件通過分壓電路等轉換，然后通過AD7705變換成數字信號進入單片機處理，最后給出實測值。對于數字型濕度傳感器，可以直接通過標準等級的環境濕度進行校對。濕度檢測子程序流程圖如圖8所示。

圖8 濕度檢測子程序流程圖

4 系統調試

以市售DHT11型數字濕度傳感器校準為例，其調試結果如表2所示。

表2 濕度傳感器校準(RH%)

首先調節按鍵“F”顯示在設定溫度值一欄，通過鍵盤輸入預設校準腔室溫度為25℃，單片機開始控制風扇、PTC加熱器或制冷器工作，當校準腔室內溫度恒定后，分別放入7種金屬鹽飽和溶液，每次都等待系統穩定2 min后讀出系統各參數值，校準時對DHT11溫度計分別由低濕向高濕等級分別測量5次，以其平均值與校準腔室國標相對濕度值得相對誤差作為校準依據［16］。

5 結論

上述基于單片機技術的濕度傳感器校準試驗平臺，可以通過金屬鹽飽和溶液構建相對濕度11.3%～97.6%范圍內7種等級標準濕度環境，各等級濕度環境相對標準差小于4%。對DHT11型數字濕度傳感器實測后，可根據各等級測量值的相對誤差對其進行定點校準。

總之，該濕度傳感器實驗校準裝置具有成本低、操作便利、控制靈活、使用可靠和便于攜帶等優點，具有較強的現實使用價值。

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