温度湿度传感器

温度湿度传感器（精选7篇）

温度湿度传感器 篇1

0 引言

随着人们生活水平的提高,时令蔬菜和反季节蔬菜越来越受到人们的欢迎,而时令蔬菜和反季节蔬菜一般是在大棚中生产的,在大棚蔬菜的生产过程中,蔬菜大棚中温度和湿度指标始终是蔬菜生长的两大重要因素,大棚中的温度和湿度不仅决定蔬菜的生长状况,而且对病虫害防治、蔬菜的质量干系重大,因此蔬菜大棚的温度和湿度检测系统的设计就显得尤其重要了。随着计算机控制技术和通讯技术的发展,对蔬菜大棚的温度和湿度的检测、分布式联片检测、多点检测已成为可能。本文通过传感器技术、短信技术、单片机技术、微机联网技术的应用,设计了蔬菜大棚温度、湿度控制网络,可分布式联片多个蔬菜大棚温度、湿度控制或在一个蔬菜大棚内进行温度、湿度多点控制。

1 系统组成

蔬菜大棚温度、湿度控制系统由以下网络组成:

检测及数据处理网络:主要由温度传感器和湿度传感器、A/D转换、单片机等组成,可通过温度传感器和湿度传感对多个蔬菜大棚分布式联片检测或一个蔬菜大棚内的多点进行检测,从而完成温度和湿度的检测。检测后的数据经过A/D转换输入单片机,单片机完成数据处理功能,单片机输出的温度和湿度信号,通过RS485接口传递给短信GSM网络。

短信网络:短信GSM网络的发送网络把信号发送出去,短信GSM网络的接受网络把信号接受。

主程序运行网络:短信GSM网络的接受网络把接收到的信号通过RS232接口传递给计算机,在计算机内进行数据处理,完成主控程序运行。

控制网络:计算机处理后数据,可控制报警装置、显示装置、打印机等工作,或者控制相应的温度和湿度调整装置进行工作。

2 系统设计

2.1 GSM短信网络设计

GSM短信网络采用厦门宇能电力科技有限公司生产的YN1010—DTU短信模块。YN1010-DTU GSM短信息数据传输模块是由GSM移动通信模块和数据通信处理模块两大部分构成,该模块利用GSM移动通信领域的短信息技术,采用点对点方式实现对带通信功能的终端的数据远程无线传输。模块是以GSM短信息通讯及单片机技术为核心,自动完成短信息管理中心发出的短信息命令的接收解码、终端返回数据的编码发送。模块采用大规模集成电路技术、单片机控制技术、抗干扰技术及RS485、RS232通信技术,线路设计和元器件的选择以较大的环境适应性为依据,可保证长期稳定工作。模块具有体积小、重量轻、安装容易,操作简便、可靠性能高、抗干扰能力强等特点[4,5]。

YN1010—DTU GSM短信数据传输模块与YN1010短信控制机配合使用组成一套完整的GSM短信数据传输系统:管理中心电脑通过R232接口将终端的命令按通信协议送入YN1100短信控制机,YN1100将命令组合打包通过短信方式传送到YN1010—DTU,YN1010—DTU将接受的数据进行解包校验,并将完整的命令通过RS485或RS232下传到终端,终端返回的数据再通过RS485或RS232送入YN1010—DTU,YN1010—DTU将数据组合打包再以短信方式传输到YN1100短信控制机,YN1100短信控制机将数据解包校验后送入电脑[5,6,7,8],如图1所示。

2.2 集成温度传感器AD590检测电路设计

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器,实际上中国也开发出了同类型的产品SG590,这种器件在被测温度一定时相当于一个恒流源,该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性,性能稳定,灵敏度高,无需补偿,热容量小,抗干扰能力强,可远距离测温且使用方便,即使电源在5-15V之间变化,其电流只是在1微安以下作微小变化[3]。

AD590是电流型温度传感感器,通过对电流的测量可得到所需要的温度值。AD590集成温度传感器电路设计,如图所示。电流型A D 5 9 O集成温度传感器是一种输出电流与温度成比例的电流源器件,即输出电流是温度的函数。在设计测温电路时,首先应将电流转换成电压。AD590温度传感器的信号是整个电路的总电源电流,该电流与施加这个电路上的电压源大小无关(从5伏到15伏左右),整个电路相当于一个串入使用的温度敏感的恒流源,温度灵敏度为1(A/K)。输出电流I与绝对温度K成正比,若用摄氏温度表示,则要进行转换,关系式为:

I=KTTC+273.2或I=KTTK

式中KT为标定因子,AD590标定因子为1LA,KT为开氏温度,TC为摄氏温度,I的单位为LA,当摄氏温度为零时,输出电流为273.2LA[6]。

AD590温度检测电路,如图2所示。图2中,采用美国德州仪器公司(TI)新近开发的16位RISC指令单片机MSP430F149作为中央处理机,它的突出优点是超低功耗和功能集成,非常适合于自动信号采集、液晶显示、智能化仪器等便携式装置中。MSP430F149的工作电压1.8~3.6V,有5种超低功耗工作模式可以切换到活动模式,不用扩展系统。单片机MSP430F149有八个通道[1~3],可以对八个大棚或一个大棚内的八个位置进行检测,AD590检测到的模拟信号通过A/D转换变为数字信号,完成数字采集,通过串行口传递给计算机进行处理和显示。

MSP430F149与主机的数据通信是通过RS232通信模块实现的。RS232模块主要由Maxim公司的MAX232/MAX232A接收/发送器组成,是Maxim公司特别为满足EIA/TEA 232E的标准而设计的。它们在EIA/TIA 232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用,功耗低、工作电源为单电源,外接电容仅为0.1µF或1µF;采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTL COMS等,为双组RS232接收/发送器,工作电源为+5V,波特率高,价格低,可在一般需要串行通信的系统中使用。

2.3 集成湿度传感器IH3605检测电路设计

IH3605内部的两个热化聚合体层之间形成的平板电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化,从而可完成对湿度信号的采集[2~11]。热化聚合体层同时具有防御污垢、灰尘、油及其它有害物质的功能。

IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高,输出电压将成比例升高,在实际应用中,通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。

1)首先根据下述计算公式,计算出25℃温度条件下相对湿度RH0。

其中VO U T为I H 3 6 0 5的电压输出值,VD C为IH3605的供电电压值,RH0为25℃时的相对湿度值。

2)由于在不同温度下湿度传感器的线性率会发生变化,故需进行比例和偏差系数校正[13]。通过进行温度补偿,计算出当前温度下的实际相对湿度值RH。

其中RH为实际的相对湿度值,t为当前的温度值,单位为℃,温度探头采用DS1820,在单片机内将读到的湿度值进行温度校正,得到实际的相对湿度值[4,5,6,7,8,9,10]。

由于IH3605的输出电压较高且线性较好,因此电路无需进行信号放大及信号调整,可以将IH3605的输出信号直接接到A/D转换器上,完成模拟量到数字量的转换。由于IH3605的输出信号范围为0.8~3.9V(25℃时),所以选择具有设定最小值和最大值功能的A/D转换器。

IH3605湿度检测电路,如图3所示。其核心器件采用AT89C2051单片机,A/D转换器采用TI公司的TLC1549十位串行A/D转换器,R1、R2、R3设定A/D转换器的最大输入电压,R4、R5、R6设置A/D转换器的最小输入电压,温度探头D2采用DALLAS公司的全数字式测温集成电路DS1820,由P10口读入温度值,在单片机内将读到的湿度值进行温度校正,得到实际的相对湿度值。

3 网络连接

图4所示,系统间的通信采用RS485接口[6]。手机模块与单片机、微机之间通讯时,通过手机的通信接口,由单片机控制开、关机和发送、接受短信,因此手机既可以与微机通信,又可以与单片机通信。

4 软件设计

4.1 终端用户软件

终端用户软件设计采用汇编语言,主要完成各种参数的设置、温度检测通道的选择、湿度检测通道的选择、温度和湿度的数据采集、数据处理以及与计算机通过手机短信GMS SMS

数据传送等功能,单片机在完成一次数据采集过程后,将数据向上位机传送,传输方式为点对点传输。程序为为模块化结构,各模块之间相对独立,分为初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、显示程序模块、报警模块、数据串行通信程序模块,这样可以使得程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能。其软件流程如图5所示。

4.2 计算机软件设计

计算机采用C语言和汇编语言混合编程,互相融合,共享数据文件,完成手机短信GMS SMS的发送和终端用户数据的传送、温度和湿度的计算及显示、数据存储、系统设置、查询、打印、报警等。

4.3 短息调试

如图6所示,双击SMSTest文件,弹出主界面,在站点SIM卡号文本框中填写YN1010—DTU手机号码;在发送命令文本框中填写用户显示命令;按发送短信按钮发送显示命令;YN1100短信控制机接受数据显示在接受内容文本框中,接受短信手机号码在来信SIM卡号文本框中[5,6,7,8,9,10,11]。

4.4 控制网络

控制系统的上位管理计算机采用工控机,安装在控制管理室内,以控制管理室为中心,监控系统主要完成多棚联片温室的温、湿度测控或一棚多点温室的温、湿度测控及管理功能。

每个温室大棚的耳房或单个大棚的监测点内安装有一台智能控制器,与现场温、湿度探头及滴灌控制电磁阀共同组成现场控制站。现场控制站设有手动灌溉系统切换装置,以便在温室断电、现场控制器故障、电磁阀故障等情况出现时使用。RS-485总线通信系统选用非屏蔽双绞线,施工布线采取地埋方式,沟深1.5米,有PVC套管保护,并且冗余备用。

5 实验结果

1)利用温度传感器可以采集到具体测试点的温度,测试准确,并通过信号调理电路后传送到单片机进行数据处理,以短信的形式进行发送。

2)利用湿度度传感器可以采集到具体测试点的湿度并校正,测试准确,通过信号调理电路后传送到单片机进行数据处理,以短信的形式进行发送。

3)短信系统进行短信处理,并发送和接受。

4)通过控制中心的管理作用,控制大棚内的温度和湿度,使得大棚内温度、湿度达到蔬菜生长的最佳理想环境。

通过上述网络系统的数据检测、短信的传送,并通过相应的控制系统来实现蔬菜大棚内各点的温度和湿度或不同蔬菜大棚内温度和湿度的控制,较好的完成蔬菜大棚内蔬菜的种植。

6 结论

湿度、温度传感器的应用范围很广,单片机技术的智能控制也配置灵活,短信GSM网络操作更加简便,它们组成的分布式控制系统在联片温室大棚或一棚多点测控项目上的应用,增加了作物产量,减少了病害的发生,避免了因误差或滞后带来的损失,提高了该领域的自动化生产水平,是较为理想的经济型监控装置,并有着广阔的推广应用前景。

温度湿度传感器 篇2

湿度的准确测量对于工农业生产、环境监测、食品安全等领域都有着重要的意义。为了满足这些应用需求,市场上已有很多成熟的电学式湿度传感器产品,例如电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。虽然电学式湿度传感器具有测量精度高、响应速度快等优点,但长期稳定性及互换性较差[1],并且在某些特殊的应用场合(例如强电磁环境、油气监测环境)中会失效,甚至会引发安全事故。

光纤湿度传感器具有体积小、重量轻、电无源、不易受电磁干扰等优点,可以从根本上解决易燃易爆环境中的湿度测量问题。近年来,国内外涌现了大量光纤湿度传感器的报道,其中基于光纤布拉格光栅(FBG)的湿度传感器性能较为突出,FBG湿度传感器具有波长编码的特点,不受功率波动、系统损耗影响,能够满足各类应用场合下的环境湿度测量[2,3,4,5]。但在不同温度、湿度环境下光纤湿度传感器具有不同的温度、湿度灵敏度系数,这影响了其湿度测量精度。

为了提高光纤湿度传感器的湿度测量精度,本文采用聚酰亚胺湿敏薄膜作为裸(剥离涂覆层)FBG的涂覆层,通过湿敏薄膜吸湿、膨胀,改变FBG中心波长来监测环境相对湿度,同时采用另一根裸FBG作为温度传感器来补偿湿度传感器,从而实现温度、湿度双参量传感的目的。此外,本文对FBG温度和湿度双参量传感器在不同温度、湿度环境下的温度、湿度灵敏度系数进行了详尽的实验研究,并用于温度、湿度标定,提高了传感器的探测精度。

1 传感原理

FBG是利用特定的写入方式在光纤纤芯上沿轴向形成周期性调制的折射率,它具有波长选择的特性,可以对注入的宽带光信号滤出特定中心波长的窄带光信号,并满足如下关系:

式中:λB为布拉格波长,即FBG中心波长;neff为光纤纤芯有效折射率;Λ 为光栅周期。其中,neff和 Λ易受温度和应变的影响,导致FBG中心波长变化,FBG正是利用此特性对温度、应变进行传感,其满足如下关系:

式中:ΔλB为因温度、应变导致的FBG中心波长变化量,Pe为光纤的弹光系数,α 为光纤的线膨胀系数,ξ为光纤的热光系数,ε为应变,ΔT为温度变化。

图1为专门设计的FBG温度和湿度双参量传感器结构示意图。采用相位掩膜板法,经过248nm准分子激光器在剥离涂覆层的裸光纤上曝光刻写了两个FBG,其中FBG1为未做任何处理的温度传感器,而FBG2为涂覆了聚酰亚胺湿敏薄膜的湿度传感器。当环境相对湿度(RH)发生变化时,FBG2湿敏薄膜的湿膨胀程度也会随之发生变化,从而改变FBG2的轴向湿膨胀应变,导致FBG2中心波长λB2发生漂移,同时环境温度变化也会改变FBG2的中心波长 λB2。 此时,不受湿度影响的温度传感器FBG1提供环境温度T的变化量ΔT,以补偿湿度传感器FBG2,解决湿度传感器FBG2温度、湿度交叉敏感的问题,同时实现温度、湿度双参量传感。

整个工作过程可以由以下关系式描述:

式中:为FBG2的相对湿度灵敏度系数,单位为pm/(RH 1%);分别为FBG1、FBG2的温度灵敏度系数,单位为pm/℃;ΔHR为环境相对湿度HR的变化量。可见,FBG2的和分别为T和HR的函数,而FBG1对于湿度不敏感,故在不同湿度下都保持不变,是个恒定值。

2 标定实验及结果分析

2.1 标定实验原理

为了对所设计的FBG温度和湿度双参量传感器的进行标定,首先根据式(3)得到的变化量 ΔHR、ΔT与波长变化量 ΔλB1、ΔλB2的函数关系式:

然后将式(4)中的Δ值都替换为实测值,可得:

式中:分别为HR0、T0时FBG1、FBG2的中心波长。最后,将在不同的T、HR下监测FBG温度和湿度双参量传感器中FBG1和FBG2的峰值波长λB1和λB2代入式(5),便可计算出FBG温度和湿度双参量传感器的温度、湿度实时值。图2示出了典型的FBG温度和湿度双参量传感器光谱。

2.2 标定实验设计

在FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验中采用涂覆机对FBG2进行聚酰亚胺涂覆,涂覆层数为4层。图3示出了FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验系统的装置。FBG温度和湿度双参量传感器经光纤跳线连接MOI-SM125波长解调仪。为了得到完整的温度和湿度标定环境(T=5~50 ℃、HR=10%~100%),实验时先将FBG温度和湿度双参量传感器置于芬兰Vaisala公司生产的HMK15湿度校准仪内饱和盐溶液上方,由该湿度校准仪提供HR=10% ~100%范围内6个不同湿度点,然后将两者一起放置在温度可调节的密闭恒温水槽中,以获得稳定的温度,由该恒温水槽提供T=5~50 ℃范围内10个不同的温度点。同时,HMK15 湿度校准仪上方插入HM40温湿度计,观察HMK15湿度校准仪中实时的温度、湿度。待温度、湿度稳定后,通过与MOI-SM125波长解调仪配套的计算机LabVIEW软件读出FBG1与FBG2 的波长值λB1和λB2。HMK15湿度校准仪是基于饱和盐溶液法提供6个不同湿度点,表1示出了6种不同饱和盐溶液在不同温度下的HR值。

%

2.3 标定实验结果分析

在FBG温度和湿度双参量传感器的温度和湿度标定实验过程中,通过改变恒温水槽的温度及选择不同饱和盐溶液获得T=5~50 ℃、HR=10%~100%范围内总计60个稳定的温度和湿度点,以此获得对应的60组λB1、λB2值。由于FBG1只受温度影响,不受湿度影响,而FBG2同时受温度和湿度的影响,通过对FBG2在不同温度下的相对湿度响应曲线进行线性拟合,得到(即一次项系数)和线性度(R-Square),如图4所示。可见,在10个不同温度点下,FBG2 的湿度响应曲线的线性度较高(≥0.996),随着温度的升高呈现出比较规律的减小趋势,这一趋势也可以从图5中非常容易地看出。

同样通过对FBG1、FBG2在不同湿度下的温度响应曲线进行线性拟合,得到(即一次项系数)和线性度(R-Square),如图6所示。由于HR的改变是通过选择饱和盐溶液来实现的,而同一种盐溶液在不同温度点下的HR是不同的,因此需要利用上述计算出的来对记录下的波长进行微调,以达到控制HR的目的。 由图6 可见,FBG1因其湿度不敏感特性,在各个湿度点下的温度响应都表现一致,显示为一条曲线;FBG1的比FBG2的略小,这是因为FBG2的聚酰亚胺涂覆层热膨胀造成了额外应变,使FBG2的中心波长出现漂移;FBG2的规律性地随着HR减小而增大,从HR=98.4%时的11.29pm/℃升至HR=12.8% 时的12.09 pm/℃,增量约为7%。

上述湿度传感器FBG2的温度、湿度灵敏度系数的实验研究结果表明,在不同温度、湿度环境下,湿度传感器的温度、湿度灵敏度系数是不同的。如果在T =47.9 ℃、HR=98.4% 的环境下,使用6.6 ℃时的湿度灵敏度系数进行湿度计算,其结果会与真实值差13%;而在T=25 ℃,HR=98.4%的环境下,使用HR=12.8%时的温度灵敏度系数进行温度计算,其结果会与真实值差7%,而每5 ℃的温度变化就会带来1% 的HR误差。 因此,采用和函数对FBG温度和湿度双参量传感器标定能够获得比以往光纤湿度传感器更高的湿度测量精度。

2.4 长期稳定性实验结果和分析

长期稳定性是衡量传感器的重要指标之一。我们将标定完毕的该FBG温度和湿度双参量传感器放在图3所示的温度、湿度环境中,选取某个固定的温度、湿度点(T=25 ℃,HR=38.2%),每隔2~3d记录一次FBG1和FBG2的λB1、λB2值,共记录100d,如图7所示。可见,该FBG温度和湿度双参量传感器的温度传感器FBG1的λB1最大变化为5pm,对应的T稳定性为0.5℃/(100d);湿度传感器FBG2的λB2最大变化约为10pm,对应的HR稳定性约为3%/(100d)(按最小湿度灵敏度系数算)。

3 总结与展望

采用饱和盐溶液湿度标定法对所设计的FBG温度和湿度双参量传感器进行了标定实验研究,利用实验测得的温度、湿度灵敏度系数对FBG温度和湿度双参量传感器进行标定,以提高传感器的温度和湿度探测精度。长期稳定性实验研究表明,该FBG温度和湿度双参量传感器具有良好的线性度与长期稳定性。由于饱和盐溶液湿度标定法无法快速切换湿度点,无法研究该传感器的响应速度,因此在该传感器投入实际使用前,还需要对其响应速度进行详细地研究及验证,后续的响应速度研究可以在温湿度检定箱中展开。

摘要：介绍了一种用聚酰亚胺湿敏薄膜制成的光纤布拉格光栅(FBG)温度和湿度双参量传感器,并采用了饱和盐溶液湿度标定法对其开展了不同温度、湿度环境下的标定实验研究,确定了该传感器的温度、湿度灵敏度系数。同时,实验研究显示该传感器具有良好的线性度与长期稳定性,最后讨论了该传感器投入实际应用所需的进一步研究及改进。

关键词：传感器,光纤布拉格光栅,温度,湿度

参考文献

[1]张向东,李育林,彭文达,等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J].光子学报,2003,32(10):1166-1168.

[2]梁厚慧.基于光纤环镜的高灵敏湿度传感器的研究[D].杭州:中国计量学院,2013.

[3]YULIANTI I,SUPA’AT A S M,IDRUS S M,et al.Design of fiber Bragg grating-based Fabry-Perot sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature[J].Optik,2013,124(19):3919-3923.

[4]RAJAN G,NOOR Y M.A fast response intrinsic humidity sensor based on an etched single-mode polymer fiber Bragg grating[J].Sensors&Actuators A:Physical,2013,203(1):107-111.

温度湿度传感器 篇3

国际专利分类号G05D———非电变量的控制或调节系统, 包括速度或加速度、力、压力、动力、机械振动的控制;流量、液位、比率的控制;温度、湿度、黏度、化学或物理—化学变量、光强度的控制;两个或两个以上变量的同时控制等。其中, “非电变量”这一技术名称限定了包括上述变量以及上述定义中未提及的诸多变量种类, 覆盖了除电变量以外的较为宽泛的变量范围。

在“非电变量的控制或调节系统”这一技术主题下, 目前专利文献量最多的是温度、湿度的控制, 次之为流量、液位的控制, 以及两个或两个以上变量的同时控制。下文主要针对大组G05D23/+ (温度的控制) 、G05D22/+ (湿度的控制) 下的中外专利文献进行研究和解读, 剖析其技术发展概况和主要申请人的分布、关键技术。

1 温度、湿度控制的技术发展

1.1 温度、湿度控制的发展阶段

温度和湿度作为重要的环境因素, 在全球的生产活动和人类生活中起着不可忽视的重要作用, 特别是在工业生产中, 这两个因子是最基本、最重要的工艺参数。在化工、电力、金属、电子等细分工业行业中, 均必须对温度、湿度进行严格检测和控制。在日常生活领域, 温湿度体现了人们所处环境的舒适度指数。由此可知, 现如今温湿度的调节和控制尤为重要。随着相关技术的不断发展, 温度和湿度已是在控制系统集成设计和制定综合控制策略时被一同考虑、检测和控制的量。

温度和湿度控制技术经历了定值开关控制、PID调节控制、智能控制三个发展阶段。定值开关控制是一种忽略了温湿度变化的滞后性和惯性的简单控制策略, 在实际控制过程中精度偏低、超调量过大、震荡明显, 无法达到较为理想的调节效果。PID控制是目前各行各业中应用最广泛的控制方式, 其包括比例、积分、微分三个环节。一般情况下, PID控制的温湿度系统可以取得较好的调节效果。智能控制是指在无人干预的情况下自主驱动智能机器实现控制目标, 智能温湿度控制将神经网络控制、模糊控制、专家系统等加以应用, 能够确保控制系统的稳定性和精度。

目前, 在国内外的专利申请案件中, 关于定值开关控制的技术方案已很少见, 关于温、湿度的测控和调节的专利申请多以PID控制和智能控制为主体思路。

1.2 温度、湿度控制的基本原理

PID控制即比例、积分、微分控制。PID是通过调整比例、积分、微分环节的系数, 得出合适的输出控制参数, 通过修改上述参数控制误差的闭环控制算法。其优点是控制过程连续, 其劣势是参数调整较复杂, 没有固定的方法可循, 需要根据现场实际情况和经验整定, 而对于复杂的大惯性、大滞后的研究对象, 调节时间过长。

基于模糊控制理论的PID参数整定方法是将PID与模糊控制相结合的一种兼备两者控制优点的整定方式, 即在普通PID控制系统的基础之上, 增设模糊控制规则环节。

PID控制使用方便、原理简单、适应性强、鲁棒性强, 其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型, 对于一些大滞后、多变量的系统, 难以收获满意的控制效果。20世纪70年代, 英国的E.H.Mamdani首次使用模糊逻辑和模糊推理算法实现了对蒸汽机的控制。20世纪90年代, 欧美国家相继涌现了多篇智能控制方面的文章并申请了专利。1965年, 美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论;同年, 我国的傅京孙教授也首先提出了把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统的思路, 这无疑奠定了我国智能控制发展的基础。与此同时, 越来越多的科研人员也开始关注智能控制技术, 关于温、湿度智能控制技术的专利申请数量也不断激增。

总体上来说, 我国智能控制技术的应用发展相对落后, 目前国内成熟的温、湿度控制系统仍以常规PID以及各种改进PID的控制为主, 在智能控制算法和控制软件的开发方面还需改进。

2 温度、湿度控制的专利分析

2.1 专利申请人类别初步统计分析

温度控制 (G05D23/+) 、湿度控制 (G05D22/+) 作为“非电变量的控制或调节系统”小类之下申请较多的大组, 其申请人的分布比较广泛。其中, 温、湿度控制相关申请遍布企事业单位、个人、高等院校及职业技术学校等范围, 并以企事业单位申请居多, 格力空调、松下电器、美的集团、国家电网、北车集团等是本领域较为常见的申请人。

2.2 专利申请量总体分析

在CNABS库中统计温度控制 (G05D23/+ ) 、湿度控制 (G05D22/+) 大组下的专利申请量, 共有9 372 件。分别统计2000—2013年的专利申请量, 温度、湿度控制相关专利申请自2002年起大体呈上涨趋势, 并于2013年达到峰值。

对温度、湿度控制部分相关专利文献的分类号进行统计, 其中, 申请量较大的几个小组分别为G05D23/19 (以使用电装置为特征的温度控制) 、G05D23/20 (具有随温度变化而产生电或磁性质变化的传感元件特征的温度控制) 、G05D23/00 (温度的控制) 、G05D23/24 (具有随温度变化的导磁性的传感元件, 例如热敏电阻的温度控制) 、G05D23/30 (具有影响传感元件的辅助加热装置的自动控制器, 例如预测温度变化的温度控制) , 可见以上几部分是本领域的主要研究方向, 并处于不断发展之中。

通过在CNABS数据库中统计温度控制 (G05D23/+) 、湿度控制 (G05D22/+) 大组下的专利申请情况, 得知国外申请更多地集中在2009年以前, 2009年以后的相关专利申请基本来自国内, 这也间接地反映出国外关于温湿度控制的快速发展, 而我国的技术发展相对滞后, 亟需快速、稳步地提升本领域的研究水平。

3 温度、湿度控制的发展前景

在现代科技的飞速发展之下, 温度、湿度控制广泛应用于诸如工业、农业、制造业、交通运输、大型设备、家用电器等方面。现有的控制技术因精度不足、响应滞后等因素越来越无法满足各行各业的应用需求。目前, 国际上的新型温湿度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向快速发展, 模拟集成温、湿度传感器也将是未来温、湿度控制的重要选择。温度和湿度控制领域将应用越来越多的新技术、新工艺, 一种全新的通信技术———现场总线技术也代表着控制系统今后的发展方向。

温、湿度控制领域技术正在稳步发展中, 新的应用领域也在不断增长。随着应用领域的逐步扩大和控制要求的逐步提升, 温、湿度控制作为调节、控制领域的重要科研分支, 将扮演愈来愈重要的角色。目前, 国内技术发展相对国外有些滞后, 国内科研人员活跃在本领域专利申请的前线, 国内专利申请数目不断增加。相信在未来数年里, 温、湿度控制市场将会在各个应用领域大展拳脚, 具有无限广阔的发展前景和巨大的发展潜力。

参考文献

[1]吕小红.电阻炉智能温度控制系统的设计和应用[D].武汉:武汉科技大学, 2008.

[2]林叶锦, 熊红斌.浅析智能温湿度控制系统发展[J].黑龙江科技信息, 2013 (14) :100.

[3]库尔班江玉素因.机电一体化系统中智能控制的应用浅析[J].科技资讯, 2015 (1) :82.

一种土壤湿度传感器的研制 篇4

关键词：土壤湿度,变送电路,正交试验,标定

0 引言

土壤湿度是作物生长的重要条件。土壤湿度传感器的研制将加速种植科学化,它与温、光、酸、盐等传感器配合,再与计算机联接,能对作物生长状况进行分析研究,从而控制作物生长在最优状况下。土壤湿度的检测十分重要,目前国内外对土壤湿度测定的方法主要有电阻法、电容法、γ射线法、TDR法、土壤张力法、石膏法和红外遥感法等[1]。检测仪器(如TDR等)测量精度高,但成本也高,且操作复杂,转换成电信号困难。本文采用电阻法设计的土壤湿度传感器结构简单、操作方便、成本低,并易于转换成电信号,在一定范围内可保证测量精度。这种实用性较好的土壤湿度传感器能方便地经A /D转换后与微型计算机接口进行土壤湿度的自动检测和控制,组成喷灌自动控制装置,从而对作物进行合理灌溉。

1 基本设计原理

土壤属于多孔介质,由固、液、气相3部分组成。物理学的电流电压定律,也适用于土壤中。土壤的气相和固相可以认为是介质,而土壤中的水却不是纯水,可以导电。如果将两个电极埋入土中固定不动,即两电极间的固相固定不变,则土壤中电阻率的改变主要是由土壤中液相的多少决定的。电阻率是反应土壤湿度的电参数,因此采用电阻法研制了土壤湿度传感器[1]。近年,人们不用直接测定电阻推求土壤湿度,而是采用线性放大原理测定土壤的电压来计算土壤湿度。这样利于输出的电压模拟信号经A /D转换后输入计算机,从而进行自动控制。

2 土壤湿度传感器设计

2.1 设计依据

湿度测量范围为0~35%(土壤干质量含水率),湿度分辨率为1%,湿度测量精度为2%,测量深度为5.0~15.0cm,输出电压为0~5V,响应时间<15s。适用范围为粘土、壤土、二合土和沙壤土,测量方式为实地速测。

2.2 结构设计

土壤湿度传感器由两根铜合金探针[2]组成,探针直径为5mm,探针间距和长度由正交试验确定。图1为土壤湿度传感器的尺寸和结构图。

1. 上外壳 2.下外壳 3. 防水层 4. 探针

3 变送电路设计

应用LM324四运放集成电路设计了变送电路。阻抗式湿度传感器的非线性大,但其阻抗的对数与相对湿度成线性关系,因此必须设计线性化处理的电路及温度补偿电路。同时,为了使加在土壤湿度传感器上的信号源为交流,设计了矩形波发生器,产生一定频率[3]和幅值的振荡信号,作为湿度传感器的工作电压。该电路的优点是充分利用了LM324运算放大电路的集成功能,模块紧凑高效。其电路原理图如图2所示,各功能模块如图3所示。

4 设计中有关问题的讨论

4.1 探针的结构与材料

土壤湿度传感器的结构有两种:一种是圆柱状探针结构(如图2所示),一种是板片状探针结构。板片状探针结构表面积大,插入土壤易变形,采用直流电源时极化现象严重;柱状结构强度好,适用于不同硬度的土壤,因此,本设计采用了柱状探针结构。

探针材料常用的有不锈钢、铜合金和石墨等。它们的共同特点是既有导电性,又有耐蚀性。金属导体易被腐蚀,铜合金的耐蚀性比不锈钢好,石墨耐蚀性好但强度差,导电性不如金属好。经试验比较,采用铜合金作为探针的电极材料,并做一定的处理之后再使用。

4.2 传感器几何尺寸的确定

4.2.1 实验步骤与目的

首先,测定土壤含水量w%;然后,确定土壤含水量w%变化时,输出电压变化最大条件下两探针之间的最优距离,从而确定探针间距和尺寸。

4.2.2 实验仪器设备

电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9140A,控温精度为0.1℃)、应变式称重传感器(YZB-1C/2kg,精度等级为0.05)、称重显示仪(T3805,读数精度为0.5)和电子精密天平(JA5002,精度为10mg)。

4.2.3 实验设计方法

采用常规烘干法称重技术[1],把土样放在烘箱中,并保持温度在105~110℃的情况下烘至恒定质量,由失水质量和干土质量求出土壤含水率。此法简单易行,广泛运用,有足够精度,比快速烘干法好。实测同一块油菜田的不同湿度,得出了3组数据,如表1所示。

注:1) 取土日期为2006年10月20日,取土地点为西农油菜田;2) 同样的实验条件重复3次,允许平均误差不得大于1%,取算术平均值。

1) 土壤含水率的测定方法有多种,这里采用常规烘干法中精度较高的烘箱干燥法进行干土质量含水量计算,公式为

undefined

式中 w— 土壤含水率(占干土质量百分比%);

G1— 盒+湿土质量(g);

G2— 盒+干土质量(g);

G0— 盒质量(g)。

测定记录数据和计算结果如表1所示。

2) 确定探针间距采用正交实验设计法[4]。为避免因子水平选偏,在前期实验的基础上选两探针间距、土壤含水量及探针插入土壤深度作为实验因素。这是因为适宜的探针间距能使土壤含水量变化时的电压变化值最大。因此,选取因子为探针间距、土壤水分和插入土壤深度;选取因子水平为三水平,空列为误差,即四因素三水平标准正交实验,其试验结果如表2所示。

4.2.4 实验结果及其分析

使用SPSS软件进行极差和方差分析可知,土壤含水量的变化对土壤湿传输出电压变化影响最为显著,且含水量为16.8224、土壤深度为150mm、探距为15mm时为最优组合。因此,确定探距为15mm,深度为150mm。探针尺寸结构如图1所示。

4.3 变送电路波形、频率及工作原理

LM324-1为电压跟随电路,其输出电压不受后级电路阻抗影响,保证了精确的电压输出。由于水分子为极性分子,在直流电存在的情况下,会电离与分解,从而影响导电与元件的寿命。考虑探针电极不受极化腐蚀,需要加在土壤湿度传感器上的信号源为交流。 LM324-2为矩形波发生电路,产生频率约为1kHz、幅值为3.36V的低频矩形波信号,即

undefined≈1kHz

其中:R4=39kΩ,R3=R5=30kΩ,C1=0.01μF。通过波形发生电路输出低频矩形波信号后,以在土壤湿度传感器上得到一个随水分含量变化的交流电压信号。LM324-3是利用硅二极管正向电压-电流成对数特性的对数变换电路,它采用了具有温度特性的硅二极管,能对传感器起到温度补偿作用。同时,调节电位器能获得较好的温度补偿,其输出电压将随相对湿度的增加而增大。该输出电压经电容滤波再经运算放大器LM324-4对温度补偿的湿度电压信号进行放大。

用Multisim软件[5]对已设计好的变送电路进行仿真,调节电阻与电容值等,对输出电压波形和幅值等进行调试,使模拟电压输出在0~5V的范围内,再进行电路板的制作。

4.4 传感器的标定

土壤湿度传感器湿度-电压试验数据如表3所示。用MATLAB软件对土壤湿度传感器进行标定,用14次测量数据覆盖土壤湿度变化的全量程,选多项式回归模型,即

η=b0+b1x+b2x2+bmxm+ε,ε~N(0,σ2)

为了找出使误差的平方和undefined最小、R2较大的多项式,决定采用四次多项式。用MATLAB编程进行曲线拟合[6],得到代表此湿度传感器的最佳回归曲线和最优回归方程,如图4所示。对得到的回归方程和回归曲线进行分析,其中可决系数R2=0.9159较大,剩余标准差RMSE=0.1892较小,因此将f(x)=-0.0000116x4+0.001171x3-0.04278x2+0.6167x-0.09824作为最终的标定结果。

响应时间的标定:将传感器插入干土壤中,接通工作电源和数字万用表, 将传感器快速拨出插入湿土壤中;启动记时表,并观测万用表的显示值直至稳定,停记时表,所需时间为上升过程响应时间,反之为下降过程响应时间。通过实验测量可知,响应时间都小于15s。

W/%

5 结束语

由标定结果将输出的电压模拟信号经A /D转换后,输入计算机进行自动控制,从而为与计算机联接提供了方便。本传感器的关键是传感器的结构设计和变换电路选择,信号源应选在最佳频率范围内。使用该传感器的喷灌自动控制装置经过1年多的试运行,符合原技术要求。此外,还可对不同土壤的温度和密度进行应泛标定,以减少其影响,扩大应用范围。

参考文献

[1]《土壤水分测定方法》编写组.土壤水分测定方法[M].北京:水利电力出版社,1986:12-13.

[2]赵燕东,王一鸣.基于驻波率原理的土壤水分传感器的测量敏感度分析[J].农业工程学报,2002,18(2):2-5.

[3]秦曾煌.电工学(下册)[M].北京:高等教育出版社,1999:127-128.

[4]李庆东.正交实验设计[M].重庆:西南农业大学,2001:46-49.

[5]尹勇,李林凌.Multisim电路仿真入门与进阶[M].北京:科学出版社,2005.

温度湿度传感器 篇5

研究设计的新型阳光温室型猪舍利用了围护结构“低限热阻”原理, 将棚顶由原来的单一薄膜改为多层复合采光板, 猪舍举架较低, 不仅节约了建设资金, 也减少了舍内空间和散热面积, 更有利于防寒保温。另外, 猪舍是可拆装式的, 密闭性较好, 通风窗设在屋顶前端, 在通风降湿的同时可有效避免趴卧区温度下降。 此种可拆装式阳光温室型猪舍有效地结合了新型户外生产模式, 更加适于在夏季使用。为了解阳光温室型猪舍在寒区的应用效果, 对齐齐哈尔市种畜场散养生态猪场猪舍进行了春季环境测定, 现报道如下。

1 猪场概况

试验选择齐齐哈尔市种畜场散养生态猪场, 占地4 hm2, 地处东经124°16′、北纬47°36′, 地域平坦, 平均海拔146 m。气候属于中温带大陆性季风气候, 冬长严寒, 夏秋凉爽。年平均降水量为390～420 mm, 年平均气温为3.0～3.2 ℃, 1月份平均气温为-25.7 ℃, 7月份平均气温为22.8 ℃。

2 材料与方法

2.1 猪舍基本构造

猪舍坐北向南, 长15.00 m, 跨度为7.30 m, 结构见图1。猪舍骨架为方管 (50 mm×50 mm) , 围栏为钢筋 (直径为10 mm) , 采光板为10 mm双层中空板, 保温板为100 mm高密度苯板夹心彩钢板, 屋顶前立面设有4个通风窗 (400 mm×400 mm) 。东西走向留有1 m宽的走道, 门外设有防风门斗。趴窝区添加垫草, 活动区安置饲槽和饮水器。

1号舍为产仔舍, 有4头哺乳母猪;2号舍为保育舍, 有21头仔猪;3号舍为妊娠舍, 有29头母猪, 舍门全天开放, 母猪可自由出入;4号舍为育肥舍, 有16头育肥猪。

2.2 测定项目

2.2.1 舍内外温度与湿度

2012年2月16—23日, 每天分别于8:00、14:00、20:00采用电子温湿度计测定舍内外温度和湿度。舍内温度和湿度采样点采用交叉法测定, 在畜舍南北侧和中央上方均匀选择9点;舍外采样点为距猪舍2.00 m的空地, 采样点距地面1.30 m。

2.2.2 舍内外温度极值

2012年2月16—23日, 在每天8:00采用最高、最低温度计测定舍内外温度极值, 采样点在舍内趴卧区中央距地面1.30 m处;舍外采样点同2.2.1。记录前一天最高、最低温度。

2.2.3 通风前后舍内温度和湿度

于2012年2月24—26日, 每日8:00、14:00在4号舍打开通风窗和两侧舍门30 min。采用电子温湿度计于通风前后测定舍内温湿度 (采样点同2.2.2) 。

2.3 数据统计分析

试验数据采用Excel 2003软件进行处理, 用SPSS15.0统计软件对数据进行单因子方差分析及LSD多重比较。

3 结果与分析

3.1 舍内外温度与湿度 (见表1、表2)

注:同行 (列) 数据肩标字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 相同表示差异不显著 (P>0.05) 。

各舍温度在不同时间均显著高于舍外 (P<0.05) , 1号舍8:00和20:00的温度显著低于2, 3, 4号舍 (P<0.05) , 3号舍20:00温度最高且显著高于1, 2, 4号舍 (P<0.05) , 14:00时各舍的温度无显著差异 (P>0.05) 。1号舍日平均温度比室外高8.51 ℃, 其他舍也不同程度高于舍外。在不同测定时间, 1, 2, 3, 4号舍内湿度均显著高于舍外 (P<0.05) , 其中1号舍的湿度显著低于其他舍 (P<0.05) 。

注:同行 (列) 数据肩标字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 相同表示差异不显著 (P>0.05) 。

3.2 猪舍内外温度极值 (见表3)

注:同行 (列) 数据肩标字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 相同表示差异不显著 (P>0.05) 。

1, 2, 3, 4号舍的最高、最低温度均显著高于舍外 (P<0.05) , 1, 2, 3, 4号舍之间最高温度没有显著差异 (P>0.05) 。2, 4号舍的最低温度显著高于1, 3号舍 (P<0.05) , 1号舍的最低温度显著低于2, 3, 4号舍 (P<0.05) 。

3.3 通风前后猪舍内的温度和湿度状况 (见表4)

8:00通风后温度下降11.10 ℃, 湿度下降46.50%;14:00通风后温度下降11.46 ℃, 湿度下降36.37%。

4 讨论

本试验结果显示, 阳光温室型猪舍内温度显著高于舍外, 仅有4头哺乳母猪的1号舍日平均温度也比舍外高8.51 ℃, 但其早晚温度显著低于2, 3, 4号舍。各舍14:00时的温度没有显著差别。3号舍为妊娠舍, 全天开放舍门, 仍能保持较高的温度, 由于饲养密度较大, 其20:00温度显著高于1, 2, 4号舍。各舍的最高温度相差不大, 均显著高于舍外, 说明阳光温室型猪舍利用太阳能升温效果较好;除1号舍外, 其他舍的最低温度也比舍外高, 可见在阳光板外未添加保温被等设施也能有较好的保温效果。分娩舍虽然夜间温度较低, 但趴窝区的大量垫草可为母猪提供一个保温环境, 而保温箱可为哺乳仔猪提供适宜的温度。据报道, 塑料膜温室猪舍内室温和封闭砖舍内接近, 在没有加热的情况下比舍外高12.10～15.67 ℃[1,3,4,5]。刘春燕等[3]在温室猪舍夜间还加盖了草帘。本猪舍的增温效果和其他温室猪舍接近, 但本试验猪舍中猪只较少, 饲养密度较低, 如果是在常规密度下舍温应优于其他温室猪舍。

在本试验中, 各舍在未通风的情况下湿度处于一个较高水平, 舍门开放的3号舍的日平均湿度也达77.78%, 只有1号舍猪只较少, 湿度保持在 62.33%。早、晚测定时舍内湿度较大, 主要是由于室外温度低、内外温差大, 造成阳光板内侧结露所致。而猪最适宜的相对湿度是60%～75%[6], 不宜超过85%, 因此, 湿度高仍然是寒区冬季养猪面临的重大问题。其他研究中温室猪舍的冬季湿度也在65.20%～75.62%之间[1,3,5], 而有的封闭砖舍冬季平均湿度也高达89.8%[7]。为降低舍内湿度, 本试验在每天8:00和14:00 2次短时通风, 起到了良好的除湿效果, 通风后湿度均大幅下降。虽然通风后舍内温度也下降了, 但由于通风窗位于屋顶立面, 开门窗通风主要在活动区形成气流, 趴窝区温度下降较少, 最大程度地避免了温度大幅下降对猪只的影响。

5 小结

在初春时, 本试验中的阳光温室型猪舍虽然未达到猪的最适温度, 但温度也有明显提高, 说明此种猪舍利用太阳能效果好。如果夜间在阳光板外增加隔热设施, 能进一步地提高保温效果。同时, 通过短时自然通风可以使猪舍内空气湿度大幅下降。因此, 阳光温室型猪舍应用效果良好, 通过改良可在东北寒区推广使用。

参考文献

[1]俞美子, 周丽荣, 金耸, 等.两种类型猪舍主要内环境指标的比较[J].黑龙江畜牧兽医, 2009 (1上) :30-31.

[2]钱爱萍, 张信.保温型封闭式仔猪舍春季空气环境状况评价[J].甘肃农业科技, 2008 (1) :23-25.

[3]刘春燕, 王清吉, 贾士斋.新型大棚猪舍环境控制效果研究[J].家畜生态, 2003, 24 (1) :78-79.

[4]杨国安, 赵树欣, 张贤军, 等.北方冬季半塑料膜棚保暖圈养猪试验[J].石河子科技, 1995 (6) :51-52.

[5]侯正录, 杨占魁.两种塑料暖棚猪舍的应用效果观测[J].家畜生态, 2002 (3) :17-18.

[6]邵燕华, 陈志银, 崔绍荣.畜舍小气候对猪的影响[J].家畜生态, 2002 (1) :67-69.

温度湿度传感器 篇6

1 该队几次典型的设备故障发生时的天气、工况及过程

2012年7月8日, 连续半个月的阴雨天, 空气湿度很大。完井作业时, 发电工在变频器暂停使用的间隙违章用湿拖把清洁VFD房地面, 致使VFD房内空气湿度非常大。当司钻开启绞车变频电机, 发现设备不能正常运行, 最后检测为西门子6SE70变频器进线柜6块快熔全部烧坏, 整流柜可控硅触发板 (PCC板) 烧坏, 整流柜6块可控硅烧坏。

2012年8月5日, 持续阴雨天。一开固井候凝, 变频器停止使用了十几个小时, 而VFD房的空调仍处于制冷模式, 温度只有19℃, 由于VFD房内外温差大, 致使室外的湿气通过门缝和开关房门时在室内设备上凝结, 司钻启动1#泥浆泵, 设备不能正常运行, 最后检测为西门子6SE70变频器整流柜可控硅触发板 (PCC板) 烧坏。

2013年6月25日, 持续阴雨天, 进行搬家安装作业, VFD房频繁有人出入, 导致室内空气湿度大、设备受潮, 设备安装好试运转设备时, 发现2#CAT 3512B无电压输出, 盘变频电机不能正常启动, 最后检测结果为发电机控制柜发电机励磁版烧坏, 转盘变频器整流柜可控硅触发板 (PCC板) 烧坏。

2 对这几次故障的总结

2.1 设备配套时存在不足

该套设备配套时没用充分考虑到江苏地区多雨潮湿的气候特点, VFD房内没有配备独立的除湿机, 安装的特灵TTA075ADEA风管送风式空调没有独立的除湿模式, 导致雨季VFD房的湿度很难控制。

2.2 VFD房的使用人员和现场电气师对全电动钻机V F D房使用经验和管理经验缺乏

(1) 使用者主要是发电工容易延续机械钻井配电房的工作模式, 用湿拖把和湿抹布来清洁V F D房, 设备运行是经常出入VFD房, VFD房门不关严实。

(2) 现场的电气师在发现VFD房内湿度大的时候不能找出有效的解决方法来降低湿度。

2.3 气候和环境因素

江苏地区雨季多雷雨台风。雨季下暴雨时, 雨水会不可避免的从门缝进入VFD房内。施工现场的粉尘浓度大很大, 粉尘吸附在电路板上, 当电气元件上面有水气或者凝露时, 这些杂质增强了水气的导电性, 很容易使电气元件在通电时发生短路, 烧坏设备。雨季搬家安装容易使VFD房内设备受潮。

3 在高温高湿地区怎么控制好VFD温度和湿度及防止设备受潮发生故障的预防措施。

(1) VFD房必须配备专业的带数字显示的除湿设备和专业的防爆空调, 湿度和温度能直观的从显示器上的读数读出。

(2) 确保现场操作人员会真确的使用除湿机和空调, 使VFD的温度应严格控制在20℃-30℃, 湿度控制在50%以下

(3) 电气师定期对空调和除湿机进行检查。清理空调滤网和检查空调出水管是否畅通, 确保空调运行正常。

(4) 对岗位操作人员进行培训, 让他们明白VFD操作规程和使用注意事项, 房内严禁湿拖把或湿抹布搞卫生, 只能用专门的吸尘器和防静电刷搞卫生。

(5) 确保VFD房门的密封性能良好好, 在高温高湿天气应尽量减少开关VFD房门的次数。

(6) 当VFD房内变频器全部停止使用时, 应该及时关闭空调, 这样可以避免室内外温差大导致设备受潮。

(7) VFD停用后重新启用前必须方进行除湿, 湿度降规定值才能开启设备。

(8) 雨季要对VFD房的基础进行垫高, 四周挖排水沟, 防止积水进入VFD房。

4 结语

温度和湿度对VFD房的影响在不同的地区、不同的气候有比较大的差异, 发生的故障也不同, 关键是管理者要找到问题的关键所在, 对症下药, 并且对每次故障进行总结分析, 积累经验才能防止和预防故障的再次发生。

参考文献

[1]西门子矢量控制大全[S].

[2]西安海尔海斯.ZJ30DB中文说明书[S].

[3]范永胜, 王暇.电气控制与PLC应用[M].北京:中国电力出版社, 2005.

多传感器的高精度湿度测量仪 篇7

空气湿度与人类密切相关,人们的日常生活、生产活动以及动植物的生产和生存都与周围环境的湿度息息相关。相对于其他环境参数,湿度是最难准确测量的要素之一。温度是独立的被测量,而湿度却要受其他因素(大气压强或温度)的影响。传统的湿度测量大多采用有线测控系统,降低系统的灵活性、可维护性与可扩展性[1]。

无线自组传感器网络集传感器技术和网络通讯技术于一身,涉及信息采集、处理和传输等技术,在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面都潜在巨大的应用价值[2]。为此,利用多传感器融合实现高精度智能湿度传感器的研制,并利用ZigBee协议栈的无线传输方式构建无线传感网络,使高精度湿度传感器成为气象观测系统的一个有效节点。

1 硬件设计

1.1 设计方案

湿度采集系统主要通过多个不同类型的湿度传感器来采集湿度信息。数字输出的智能湿度传感器、电压输出湿度传感器以及电容输出湿度传感器各自构建湿度测量电路,并连接到单片机进行湿度信息的处理和传输。单片机选用兼容IEEE802.15.4的低功耗低成本的JN5121。JN5121模块将采集到的多个湿度信息进行处理和融合后得到高精度的湿度测量值,然后通过ZigBee来建立一个无线自组织传感网络。系统硬件结构图如图1所示。

1.2 传感器模块设计

1.2.1 SHT75数字输出传感器

SHT75是一款集成的温湿度传感器芯片,提供全量程标定的数字输出。相对湿度的测量范围为0～100%,分辨力达0.03%RH,精度为±1.8%RH,迟滞为±1%RH,长期稳定<0.5%RH/YR。温度的测量范围为-40～+123.8℃,分辨力为±0.3k。其测量原理为:首先,利用两只传感器分别产生相对湿度和温度的信号;然后,经过放大分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错;最后,通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。

SHT75是4引脚单排直插型芯片,通过二线串行接口电路与微控制器连接。其中,串行时钟输入引脚SCK与JN5121芯片中DIO14口(SIF_CLK)相连。串行数据引脚DATA是三态门结构,与JN5121的DIO15口(SIF_D)相连;DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。因此,微控制器可以在SCK高电平时读取数据,而当其向SHT75发送数据时,则必须保证DATA线上的电平状态在SCK高电平段稳定。为了避免信号冲突,微控制器仅驱动DATA在低电平,在需要输出高电平的时候,微控制器将引脚置为高阻态,并由外部上拉电阻将信号拉至高电平。

1.2.2 HIH4000-003电压输出传感器

HIH4000-003电压输出传感器是一款与相对湿度成线性电压输出的湿度传感器。200μA的工作电流使得该传感器适宜于电池供电系统。相对湿度的测量范围是0～100%,测量的精度为±3.5%RH,迟滞为±3%,稳定性为±0.2%RH/YR,使用的温度范围为-40～+85℃。

HIH4000-003是3引脚单排直插型封装,此传感器输出为电压信号,需要将信号进行模数转换才能连接到微控制器,输出信号连接到高精度模数转换器ADS1218的AIN0口。

传感器需要通过温度补偿和非线性补偿来提高精度。温度测量来自于SHT75,通过读取存贮的零点和线性度校正系数后,利用软件来实现补偿和非线性校准。具体电路如图2所示。

补偿部分为温度补偿,其公式为

TrueRH=SensorRH/(1.030 5+0.000 044T-0.000 001 1T2)

式中,T的单位为℃。

1.2.3 HTS2030SMD电容输出传感器

HTS2030SMD基于电容测量湿度和NTC电阻来测量温度。测量相对湿度范围是1%～99%,10V电压供电。迟滞为±1%,稳定性为±0.5%RH/YR,使用的温度范围为-60～140℃。

采用典型的TLC555时,基电容测量电路如图3所示。传感器与U12的2和6脚相连接。电路通电时,U13通过R14,R15和R16充电;此时,U12第3脚输出高电平;当U13端电位上升至触发电平时,U12第7脚与地短路,U13通过R14和R15放电至截至电平;此时,U12的第3脚输出低电平。充电时间t1为

undefined

放电时间t2为

t2=(R14+R15)Cln2

式中,k为TLC555第5脚电位与电源VCC5V的比值。该值可由连接至TLC555第5脚的电位器R17调节,主要用于TLC555电路内部设计不平衡的补偿,不同品牌的555电路补偿有所不同,仅调节R17的值即可以实现匹配。

相对湿度发生改变时,传感器的电容量也发生变化,由TLC555的第3脚输出频率与相对湿度相对应的方波信号,JN5121的DIO9口(TIM0_CAP)测量输出信号的周期便可知环境的相对湿度。电路输出频率为

由于U13充放电回路的电阻值不同,为求得50%的输出占空比,一般取R15远大于R16。此时,输出频率可简化为

undefined

也可简化为

undefined

补偿部分:在不同的湿度情况下,电容量会有所不同,如表1所示。可以通过以下公式进行修正,即

C(PF)=C@55%×(3.903×10-8×RH3-

8.294×10-6×RH2+2.188×10-3×RH+0.898)

同样也可以选用HC4060来构建LC振荡电路,电路的构成较简单,输出频率为:f=1/2.2RXCX(CX为电容湿度传感器,RX为选择的电阻)。

1.3 MCU模块

该湿度仪采用无线传感网络来实现主机与传感器的通信。基于低功耗低成本的考虑,采用了JN5121的ZigBee无线传感器网络。ZigBee基于IEEE 802.15.4无线标准。802.15.4标准定义了MAC层和PHY层的协议标准,而ZigBee协议栈则定义了网络层、应用层和安全服务层的标准,是一种短距离、低功耗且价格便宜的无线通信技术。

JN5121模块是兼容IEEE802.15.4的低功耗和低成本的微处理器芯片。它集成了32位RISC核心以及完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4的收发器、64kB ROM和96kB RAM,为无线传感器网络提供了低成本的解决方案。JN5121使用硬件MAC和高度安全的AES加密,同时也提供了丰富的开关量和模拟量接口作其他应用。

在此湿度测量仪系统中,JN5121处理来自HIH4000的湿度信号、温度传感器的信号、555振荡电路输出的频率和SH75输出的数字湿度信号,并且保存数据。将3个湿度传感器采集到的湿度信息进行处理,得出最优值,最后通过无线网络与主节点进行数据通信。

1.4 其他模块

1.4.1 电源模块

电源模块利用LM1117-3.3为微控制器和MAX3232供电,LM1117-5.0为SHT75,HIH40000, ADS1218和TLC555供电,LM169-10为HTS2030SMD供电。

1.4.2 输入电路

湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号,送入微控制器的定时/计数器T1。

1.4.3 RS-232接口

与上位机通信,如向上位机(主机)发送测量到的数据,接收上位机发来的控制指令,进行参数设置及校准操作。与上位机的通讯指令采用不定长的ASC代码指令,用不同的信令头(SOT)代表不同的控制,并有CRC纠错以保证数据正确传输,信令有统一的结束码(EOT)。

1.4.4 LCD显示

显示屏采用液晶显示器,以降低系统功耗,用于显示湿度的测量值。为了节省微控制器的I/O口资源,采用4位数据线形式。

2 传感器模块软件设计

2.1 SHT75数字输出传感器

向SHT75写数据:在SHT75测量之前,JN5121必须先对其发送对应地址,然后发送命令时序,即向SHT75写入8个数据位,并在第9个SCK周期读取SHT75返回的确认位(0为正确接收,1为接收失败)。根据SHT75二线制工作方式,JN5121应该先输出低电平来触发SHT75,然后输出一位命令数据,再给出SCK高电平触发SHT75锁存数据。当然,JN5121输出的SCL周期必须满足SHT75数据建立和保持最少时间(110ns)的要求。当发送完命令读取SHT75数据线上的返回位,以作为是否重新发送的依据。

读取SHT75测量数据:JN5121先置时钟线为低电平,使SHT75内的锁存器输出数据,并延时一段时间(大于数据稳定输出时间250ns),等待数据稳定,然后再读取数据。以此类推,直到接收完一字节数据为止,且要在第9个时钟给出应答位。

2.2 HIH4000-003电压输出传感器

HIH4000的输出电压通过ADS1218来进行模数转换。信号采集通道不同,可以通过ADS1218的通道参数设定来区分(Multiplexer Control Register的前4位用来选择通道的正极输入,后4位用来选择通道的负极输入)。为了提高数据采集的精度和减少整个测量所需的时间,在1s时间内等间隔采集5次,分别将这5次采集信号送入A/D转换的模拟通道进行转换,从而得到了这些数据所对应的数字量,并将它们存放在一个连续的存储单元中。为了避免外界干扰对数据测量的影响,系统需要对5次转换的结果进行比较,去掉1个最大值和1个最小值,最后对剩下的3个测量结果进行加权求平均,所得的结果作为最终的转换数据保存在存储单元中。在数据采集完全后,读入温度和湿度值,并通过温度补偿和非线性补偿得到校正后的湿度值。流程图如图4所示。

2.3 HTS2030SMD电容输出传感器

频率的测量有很多种方法,这里选用等精度数字测频法。JN5121具有两个16位的定时器/计数器T1和T0,单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关,与被测信号的跳变沿同步,利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序。在t0时刻,系统开始进行初始化,T1和T0分别设置为计数器和定时器来对输入信号与时标信号进行计数,它们的初始值均为0。时标信号的频率在单片机内固定为fc=fosc/12。式中,fosc为单片机的时钟频率。利用外部中断INT1来控制中断,可设置为边沿触发,开放INT1和T0的中断允许。在t1时刻,输入信号的跳变沿产生第1次INT1中断,开放T1和T0的计数闸门,并关闭自身的中断允许。当T0计数满溢出时,可在t2时刻产生T0中断,记录自身的中断次数n,再次开放INT1的中断允许。T0溢出后,将从0开始继续计数,直到t3时刻由输入信号产生第2次INT1中断,然后关闭T1和T0以完成一次测量过程。T1中的计数值代表了输入信号完整的N1个周期。设T0中剩余读数为N2’,则被测信号的频率计算式为fx=N1/[12(65 536n+N2’)/fosc]。

3 结束语

该湿度测量仪由于采用了高性能的JN5121为核心硬件系统,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比。选用3款不同形式输出的湿度传感器,将采集到的信号进行融合处理,提高了测量精度。选用ZigBee技术来实现无线传感网络,提高了系统的灵活性。

摘要：介绍了一种湿度测量仪的设计方案,给出了硬件设计的总体框图;详细阐述了3款湿度传感器的信号采集电路;介绍了显示电路、电源模块、通讯接口以及湿度信号采集电路的软件设计。电路设计以高性能的JN5121为核心,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比,并利用低功耗、低价格及性能稳定的ZigBee技术构成了无线传感器网络。

关键词：湿度测量仪,ADS1218,JENNIC5121

参考文献

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[2]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]贾伯年,俞朴,宋爱国.传感器技术[M].南京:东南大学出版社,2007.

[4]刘迎春,叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京:国防工业出版社,2002.