基于實(shí)踐能力提升的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)*

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》，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，尤其是工科類高職專業(yè)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力。基于此，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，通過其設(shè)計(jì)過程培養(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，檢測系統(tǒng)是化工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的眼睛和觸覺，其中溫度檢測和濕度檢測所采集的數(shù)據(jù)都是非常重要的檢測信息。在實(shí)際的現(xiàn)場檢測中溫度與濕度的測量信號(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，同時(shí)對壓降、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芯片對溫濕度進(jìn)行測量，最后通過轉(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控制接口電路測量外界參數(shù)溫濕度，將外界溫濕度信號(hào)通過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公式轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓值，最后通過轉(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)過校準(zhǔn)。該類型傳感器主要由測溫型能隙性元件和電容式聚合體測濕元件組成，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。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，對應(yīng)的功能區(qū)分別是IDAOCN和IDAC1CN。IDAnOMD位對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)行編寫程序如下：

通過以上程序，可以通過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DATA改變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，SCK也將變?yōu)榈碗娖剑划?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)合傳感器檢測后輸出模擬量信號(hào)的線性度，對檢測后的溫濕度具體數(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)際檢測范圍進(jìn)行映射，最后SHT15測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)載無關(guān)。通過前期設(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）可以簡化得：

通過上面公式推導(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)，與外接電阻無關(guān)。通過保持電阻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Multisin13.0軟件進(jìn)行仿真，最后的仿真結(jié)果如下：通過在電路中安裝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 測試與分析

通過軟件與硬件的設(shè)計(jì)后，需要對所設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器進(jìn)行性能測試，通過使用標(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 ℃）對設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器中的濕度、溫度分別進(jìn)行測試與分析。

測試溫度精度時(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溫端輸出電流，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。同時(shí)對測量結(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)行對比計(jì)算出其誤差值，可以反映溫度測量的精確度，結(jié)果如表3所示。

表3 溫度測量精度分析

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

測試濕度精度時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)儀表與溫濕度傳感器測量當(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量濕度端輸出值，測量結(jié)果如表4所示，對測量的濕度結(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)過計(jì)算為0.75%，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過擬合直線公式反推濕度測量值的誤差情況，結(jié)果如表5所示。

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

表5 濕度測量精度分析

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]。