密封容器內溫濕壓計及檢測裝置設計

唐華+楊琳艷

摘 要： 本文介紹了一種微小型密封容器內溫濕壓檢測裝置的結構設計、結構密封設計，電氣硬件設計、軟件設計，該設計滿足某密封容器內對溫濕壓物理參數的測量及顯示。

關鍵詞： 溫濕壓計；檢測裝置；密封性能；顯示屏；微小型

1.引言

某密封容器內需對其溫度、濕度、壓力進行測量，測量范圍及精度分別為：

溫度：-45℃～+65℃ 測量精度誤差：±0.5℃；

濕度： 0～100%RH 測量精度誤差：±3%RH；

壓力30kPa～150kPa 測量精度誤差：±0.5kPa

以往測量時，須打開溫濕壓測量口蓋，將溫濕壓計放進去，再讀取參數。這樣做存在兩個問題，一個是測量時要放氣，這樣測量的結果不能真實反映容器內的狀況，二是在測量完后，還要充氣，導致測量容器內溫濕壓工作很繁瑣。基于上述兩個問題，設計出一種微小型溫濕壓計及檢測裝置，便于對密封容器內的溫度、濕度、壓力隨時監測。

2.工作原理

溫濕壓敏感及檢測系統包括溫濕壓敏感頭、信號放大模塊、AD采集模塊、單片機中心控制模塊、顯示模塊、9V電源供給模塊、電源變換模塊組成。溫濕壓敏感及檢測系統模塊的原理如圖1所示。

溫濕壓敏感頭敏感到的溫度、濕度、壓力信號轉換為小電壓信號，經信號放大模塊放大至0V～5V的電壓信號，并送到A/D模塊進行模數轉換，將轉換結果通過SPI口傳送給STC90C51單片機，單片機將讀取的數據通過通訊口傳送給OLED顯示屏。電源采用可充電9V干電池，由于所有器件工作電源為5V，采用78L05進行電源變換。當合上K1開關時，所有器件工作，顯示屏顯示測量的筒內溫濕壓測量值，當合上開關K2時，顯示屏顯示當前壓強值及濕度值轉換為20℃時的值。

3.溫濕壓計硬件選型及設計

3.1.AD模塊的選擇

AD模塊選用XPT2046，主要是基于XPT2046被廣泛應用于AD采集及觸摸屏制作中，工作穩定，所以在此方案中選用XPT2046作為A/D模數轉換用。

3.2.單片機的選擇

方案一采用傳統的STC90C516RD+作為控制核心，并且是國產，單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點，使其在各個領域應用廣泛。

方案二：采用FTC10F04單片機，還帶有非易失性Flash程序存儲器。它是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理芯片，市場應用最多。其主要特點如下：8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，數據保存10年。

方案一成本比較低，適合做設計，方案二運算速度高，性能好，所以兩種方案都有可取之處。此處采用方案一。

3.3.顯示模塊的選擇

方案一：使用液晶顯示屏顯示溫度、濕度、壓力具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影象穩定不閃爍等優勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點。

但由于液晶是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。在使用時，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護。

方案二：OLED，即有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode） ，又稱為有機電激光顯示（Organic Electroluminesence Display， OELD）具備輕薄、省電、超強兼容性、等特性，因此 OLED 屏幕卻具備了許多 LCD 不可比擬的優勢。

目前 OLED 顯示屏廣泛用于手機、MP3、工控顯示設備上，具有亮度高、顯示精度高、功耗低等特點。

根據以上的論述，采用方案二。在本系統中，我們采用了OLED顯示系統。

4.軟件設計

軟件采用C及匯編語言聯合編制，軟件流程圖如圖2所示。注釋量不少于30%。涉及的模塊有通訊模塊、I/O口檢測模塊、液晶屏顯示模塊、A/D數據采集模塊、系數計算模塊、延時模塊。

5.溫濕壓計結構設計

溫濕壓計結構如圖3所示。溫濕壓計安裝在密封容器上，內分兩層，分別安裝單片機中心控制模塊和轉換模塊。溫濕壓計的結構設計時需同步考慮產品的密封，采用溫濕壓計本體與容器之間的密封以及溫濕壓計里層與外層之間的密封形式來保證溫濕壓計安裝后整個密封容器的氣密性。

6.理論計算

6.1.采集精度計算

A/D采集芯片為12位工作方式，換算成十進制的數值范圍是0～4095，一個數字為1.2mV，傳感器輸出電壓為0V～2V，則2V/1.2mV約可表征1666個數字，由傳感器的采集范圍及采集精度計算得溫度需用200個數字、濕度需用33個數字、壓力需用240個數字表征，所以采集精度滿足要求。

6.2.電源供給容量計算

9V堿性電池放電至4.8V的話，電流25mA，容量約600mAh；電流100mA，容量約400mAh；電流300mA，容量約300mAh；電流500mA，容量約200mAh。經查，除顯示屏工作標準電流為10mA～160mA，傳感器電流為10mA左右，按使用傳感器裝置測量溫濕壓電池放電100mA計算，電池可工作4h，按每個密封容器每次測量3min計算，一個9V干電池可測量80個密封容器，所以電池容量滿足使用要求。

6.3. 將某溫度下得大氣壓及濕度轉換成20℃的大氣壓及濕度計算方法

6.3.1.大氣壓轉換方法

大氣壓轉換按照理想氣體方程：P20V/T20= PTV/TT，其中V相同，所以，將某溫度下的壓強轉換成20℃的壓強，按P20=PT*20/TT進行計算即可。

6.3.2.濕度轉換方法

由于濕度測量的是相對濕度T，所以在轉換時，須首先計算出該溫度下的水汽氣壓，經查不同溫度下飽和水汽壓可得該溫度時的飽和水汽壓，將該飽和水汽壓乘以此時的濕度，得到該溫度下的絕對水汽壓，再利用理想氣體狀態方程，換算成20℃的絕對水汽壓，將該絕對水汽壓除以20℃的飽和水汽壓，即換算成20℃的濕度值。

7.結束語

本文介紹了一種密封容器內微小型溫濕壓計及測量裝置的軟硬件及結構設計，該檢測裝置實現了方便測量密封容器內溫度濕度壓力的測量，據有體積小、操作方便等特點。■

參考文獻

[1] 《傳感器》 強錫富編 機械工業出版社 2013.

[2] 《MCS-51系列單片機系統及其應用》 蔡美琴，張為民，沈新群，張榮娟編，高等教育出版社，2003年.

[3] 《現代檢測技術與系統》 蔡萍，張輝編，高等教育出版社，2002年.