智能傳感器HIH9131在電廠煙氣濕度測量中的應用

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用方法，不僅提高7該領域的測量精度和穩定性，還為電廠實現煙氣的超低排放提供了幫助。

關鍵詞：智能傳感器濕度SPI接口

近年來，我國大多數城市的大氣環境質量超過國家規定的標準。2014年9月，發改委、環保部和能源局發布了發改委能源（2014）2093號文，提出了燃煤電廠實現 “超低排放”的要求和時間表。由于工業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：一是燃料以結合水或外在水的形式帶來的水分，在燃料燃燒過程中蒸發形成的水蒸氣;二是燃燒時鼓入鍋爐內的空氣攜帶的水分;三是燃料中所含有的碳氫化合物在燃燒時被氧化生成的水;四是在脫硫（FGD）時的水汽與煙氣混合。而煙氣含濕量是煙氣參數中最難測量的一個參數，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測中的一個必測因子，其測量的準確度直接關系到污染物排放總量、濃度計算及煙氣凈化系統效率的評估。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展，目前市場上推出了內部帶有微處理器的智能濕度傳感器。與傳統的傳感器相比，它可以通過軟件技術實現高精度的信息采集，而且成本低;具有一定的編程自動化能力;具有通信與板載診斷功能。在智能傳感器領域，HoneyWell公司一直是走在世界的前列。經過比較，我們選擇了Honeywell公司HIH9131，作為本應用的溫濕度傳感器。

1.1傳感器HIH9131的特點

Honeywell數字式溫濕度HIH9131傳感器，具有如下特點：

（1）業界領先的長期穩定性。傳感器在使用壽命期間不需要保養或更換，從而優化了系統的正常運行時間。傳感器在使用中不需要定期進行復雜而又昂貴的二次校準。

（2）業界領先的可靠性。熱固聚合物電容式感應元件的多層結構，使得傳感器對冷凝、灰塵、污垢、油類和一般環境化學品等，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封裝內。這種組合式溫濕度傳感器，不但可以對相對濕度測量值進行溫度補償，而且還可以提供第二路獨立的溫度傳感器輸出。

（4）真實的帶溫度補償的數字I2C或SPI輸出。這種集成的功能，可避免因在PCB板上安裝多個信號處理器件可能出現的問題，簡化與微處理器之間的集成，并使客戶無需進行復雜的信號處理。

（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。可在2.3VDC低電壓下工作，提高了電源的抗干擾能力。

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

（8）高分辨率。應用中的濕度和溫度傳感器分辨率高達14位，可幫助用戶系統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目，我們選用了soc封裝的HIH9131作為本項目的溫濕度傳感器。由于該智能傳感器內部含有微處理器，它不但可以利用采樣到的溫度值對實時濕度值進行內部自動補償，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送數據。這樣既可實現遠距離傳輸數據，還可以提高串行通訊的可靠性。

HIH9131有八個管腳，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

串行時鐘

MISO

主器件輸入，從器件輸出

AL_L

低濕度報警輸出

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產生時鐘脈沖，MISO相當于數據線。其與外界CPU產生串行通訊的時序如圖一所示。在滿足該時序的情況下，我們就可以從MISO讀出采樣數據包。每個包內含有四個字節，數據包的格式是：[{S（1：O），C（13：8）}，{C（7：O）），{T（13：6）}，{T（5：O），xx}]，

這里S（1：O）

數據包的狀態位

C（13：8） 14位濕度數據的高6位

C（710） 14位濕度數據的低8位

T（13：6）

14位溫度數據的高8位

T（5：O），xx 14位溫度數據的低6位，多余位

HiZ

高阻狀態

通過該SPI總線，單片機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），可換算出當前的溫度值（℃）：

溫度的14位輸出溫度（℃）=——-*165 - 40

（2）

2H一2

2硬件構成

由于電廠煙道環境惡劣，現場存在很強的電磁場干擾，所以我們在選擇CPU時，要求芯片具有很強的抗電磁場干擾能力，而且一旦CPU死機了，內置的看門狗電路能自動產生復位信號，喚醒CPU重新工作。經過比較，我們選用了STC公司的STC15F2K16S2作為本項目的CPU。該CPU不需要外部晶振和復位電路，內置看門狗電路、EEPROM電路、FLASH程序存儲器，具有超強的抗干擾能力，基本滿足了我們的設計要求。

如圖二所示，是傳感器與CPU的硬件連接圖。為了進一步提高煙氣濕度測量的可靠性，防止現場干擾信號竄人到CPU，影響CPU的穩定性， 我們設計了兩組獨立的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行數據傳輸。由于SCLK的時鐘頻率較高，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。因此相應的顯示功能在此不進行討論。

3軟件框圖

本項目的軟件流程圖如圖三所示，它由主程序和讀取MISO單字節子程序組成。在主程序中，按照圖一的時序圖，先對HIH9131傳感器發出ss片選信號，再產生SCLK的時鐘脈沖，然后就分別讀取濕度數據的高八位和低八位、溫度數據的高八位和低八位。由于溫度數據高八位的最高兩個位是數據包的狀態碼，所以數據包讀進來后，需要先判斷狀態碼正確與否。如狀態碼不正確，就把數據包扔掉。如狀態碼正確，就把數據包存儲起來。接下來就要對有效的溫濕度數據進行處理。先把數據包的兩位狀態碼，從濕度高八位中踢除，再與濕度的低八位數據合并成一個14位濕度碼，根據公式（1）計算出實時的相對濕度值。由于溫度的低八位數據中最后兩位是無效位，所以需要將溫度的十六位數據右移兩位，獲得

有效的14位溫度碼，再根據公式（2）計算出實時的溫度值。該溫度值雖然本項目

中用不到，但是可以送給電廠DCS系統和煙氣分析儀，在此就不展開來陳述了o在讀取MISO單字節子程序中，先給HIH9131傳感器發一個脈沖，再從MISO讀入第一位數據。然后給傳感器發第二個脈沖，再從MISO讀人第二位數據。這樣以此類推，就可以從MISO中都取到一個字節的八位數據T。

4現場使用結論和展望

由HIH9131智能傳感器構成的電廠煙氣濕度測量儀，已經分別在上海吳涇發電廠2#爐和淮南田家庵發電廠4#爐得到了成功使用。現場運行近一年來表明，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。同時還具有穩定性好、可靠性高、壽命長的特點，從而克服了市場上濕度測量探頭三個月就需要更換的弊病。

要想獲得市場的認可，我們還需要開發一些其他的功能，比如要增加溫濕度數據的無線傳輸功能。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，運維人員在地面就可以獲取現場數據，這樣就不需要爬高To這就要求我們下一步，從功能上做進一步的完善。

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