1、傳感器原理及工程應用設計（論文）土壤溫采集及調節學生姓名：*指導教師：*所在學院：*專 業：電氣工程及其自動化中國大慶2008 年 6 月目錄摘要 錯 誤！未定義書簽。ABSTRAC.T 錯誤！未定義書簽。前言 III1 緒論 11.1 溫室控制系統 11.2 溫度檢測方法與相應的溫度傳感器 11.3 濕度傳感器的分類及感濕特點 21.4 本設計的內容與具體功能 22 系統設計 32.1 控制方法選擇 32.2 硬件設計 52.3 軟件設計 錯誤！未定義書簽。2 4 本章小結 11結論 1參考文獻 錯 誤！未定義書簽。致謝 錯誤！未定義書簽。附錄 1 程序清單 . 錯誤！未定義書簽。附錄 2

2、原理圖 錯誤！未定義書簽。（ 文章章節沒具體限制， 但是主要包含內容系統的目的、 意 義、功能；系統總體上包括那些模塊、各部分完成的功能；信號 采集部分的整體設計， 傳感器型號的選擇， 傳感器特性參數功能 的介紹， 傳感器的原理和工作過程， 而最重要的就是信號采集部 分的整體設計， 傳感器型號的選擇， 傳感器特性參數功能的介紹， 傳感器的原理和工作過程 ）、八 、前言土壤溫濕度是農作物生長的重要環境條件 , 它不僅直接影響作物根系的生長發育 和土壤微生物的活動 , 而且土壤溫濕度的變化還可誘發土壤中水分的運動。 人們需要 對土壤溫濕度加以控制 , 使之保持在一定范圍之內。 采用單片機來對土壤溫

3、濕度進行 控制 , 不僅具有控制方便、簡單、靈活性大等優點 , 而且可以大幅度提高被控溫濕度 的技術指標 , 從而能夠大大提高產品的質量。 溫室控制系統，通過對周圍環境的溫度， 空氣濕度的測量，輸出LED顯示，并通過單片機對測量的數據進行分析，輸出信號控 制溫室天窗和側窗的開關、天棚遮光、開燈照明、噴頭及排風系統，并實現單片機控 制板對參數進行控制。最終實現溫室大棚的自動控制功能。具體功能： （1）檢測和控 制8路溫度和8路濕度；（2）通過鍵盤自動循環顯示18路的瞬時溫濕度,并停留 在顯示任一檢測點的瞬時溫度值上 , 且使用數字鍵能修改溫濕度設定值 , 可查詢溫濕 度設定值等；（3）輸出信號控

4、制溫室天窗和側窗的開關、 天棚遮光， 開燈照明， 噴頭， 排風系統。在溫室生產中 , 影響作物生長的氣候因素主要是溫度、濕度、光照和二氧化碳濃 度, 而作物的生長狀態主要表現在光合作用和蒸騰作用的速度，但是作物參數與環境 因子之間的關系是非常復雜的。溫室環境控制的目的是營造適合作物生長的環境 , 使 作物能夠部分或者全部克服外界氣候環境和土壤因素的制約。為此 , 必須對作物生長 的空氣溫度、空氣相對濕度、二氧化碳濃度、 營養液以及光照度等環境因子加以控制。 溫室系統是一個復雜 （目標復雜、對象復雜、環境復雜 ）的大系統。1 緒論1.1 溫室控制系統在溫室生產中 , 影響作物生長的氣候因素主要是

5、溫度、濕度、光照和二氧化碳濃 度, 而作物的生長狀態主要表現在光合作用和蒸騰作用的速度，但是作物參數與環境 因子之間的關系是非常復雜的。溫室環境控制的目的是營造適合作物生長的環境 , 使 作物能夠部分或者全部克服外界氣候環境和土壤因素的制約。為此 , 必須對作物生長 的空氣溫度、空氣相對濕度、二氧化碳濃度、 營養液以及光照度等環境因子加以控制。 溫室系統是一個復雜 (目標復雜、對象復雜、環境復雜 ) 的大系統。溫室控制系統一般有以下 3 種類型：一、多通道數據采集控制系統，一般由工控 機構成，可廣泛用于實驗室分析數據與處理數據等； 二、分布式數據采集與控制系統， 一般由直接數字控制機和監控計算

6、機組成， 每棟溫室的直接數字控制由單片機或單板 機實現，并可通過RS232接口與上位監控計算機進行通信，廣泛應用于溫室的群控； 三、分布式智能數據采集與處理網絡，一般采用總線拓撲結構，適用與大中型場、站 的自動化管理。因此，就目前來說，在國內的實踐運用中缺少一種適應我國國情的、真正行之有 效的自動分類系統。1.2 溫度檢測方法與相應的溫度傳感器溫度的檢測方法有多種，常用的有電阻式、熱電偶式、 PN結型、輻射型及石英諧 振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數 ( 如電阻值 ，熱電勢等 ) 的變化的 原理。電阻溫度傳感器： 這種傳感器以電阻作為溫度敏感元件根據敏感材料不同又可分 成熱電阻式和熱

7、敏電阻式。熱電阻式一般用金屬材料制成 , 如鉑、銅、鎳等 。熱敏電 阻是以半導體材料制成的陶瓷器件 , 如錳、鎳、鈷等金屬的氧化物與其它化合物按不 同配比燒結而成。熱敏電阻具有體積小、靈敏度高、反應速度快、分辯率高等優點 , 在各個領域廣泛用作測溫控溫及溫度補償的敏感元件。 熱敏電阻溫度傳感器的缺點是 線性度低、穩定性差。熱電偶溫度傳感器：熱電偶測溫是基于“熱電動勢效應” 。所謂熱電動勢效應是 指 A、 B 兩種不同的導體組成閉合回路 , 若兩結點溫度不同則在回路中產生電動勢 , 形 成熱電流.若A B兩導體的結點(熱端)溫度為T,而另一端(冷端)溫度為TO,則熱電動 勢為：E(T,TO)=(

8、T-TO)(lnNA/Nb)k/e其中k為波爾茲曼常數,e為電子電荷,NA, Nb為與材料有關的常數。測量 E(T,TO)的 大小便能確定被測溫度T。適合制作熱電偶的材料很多，如鎢錸絲熱電偶，可測溫度高 達2450E ;而銅-銅錫熱電偶可測量-271-243 C的低溫,鎳鉻-鐵金熱電偶在-269 0C間具有13.720卩V/C的靈敏度。熱電偶具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、 精度高、熱慣性小等特點 , 已廣泛用作溫度傳感器的敏感元件 。PN結型及集成電路式溫度傳感器：半導體PN結測溫是近幾年來發展起來的一種新型測溫手段。集成電路溫度傳感器具有體積小、重量輕、精度高等特點 , 測溫范圍 在-

9、50150C ,也正好是最常見的溫度范圍。文獻報導的一種電流輸出型溫度傳感器 在020C內靈敏度可達1.06卩A/C,線性誤差不超過土 0.2 C ,穩定性為0.02 C /4h。1.3濕度傳感器的分類及感濕特點濕度傳感器 , 基本上可分為電阻式和電容式兩種 , 電容式濕敏元件的優點在于響 應速度快、體積小、線性度好、較穩定 , 國外有些產品還具備高溫工作性能。但是達 到上述性能的產品多為國外名牌 , 價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件 低價產品，往往達不到上述水平，線性度、一致性和重復性都不甚理想，30%RH以下,80%RH以上感濕段變形嚴重。有些產品采用單片機補償修正 ，使濕度出

10、現“階躍” 性的跳躍 , 使精度降低 , 出現一致性差、線性差的缺點。無論高檔次或低檔次的電容 式濕敏元件 , 長期穩定性都不理想 , 多數長期使用漂移嚴重 , 濕敏電容容值變化為 pF 級,1%RH的變化不足0.5pF,容值的漂移改變往往引起幾十 RH的誤差,大多數電容式 濕敏元件不具備40C以上溫度下工作的性能，往往失效和損壞。電容式濕敏元件抗腐 蝕能力也較欠缺 , 往往對環境的潔凈度要求較高 , 有的產品還存在光照失效、 靜電失效 等現象, 金屬氧化物為陶瓷濕敏電阻 ,具有濕敏電容相同的優點 , 但塵埃環境下 , 陶瓷 細孔被封堵元件就會失效 ,往往采用通電除塵的方法來處理 ,但效果不夠

11、理想 ,且在易 燃易爆環境下不能使用 , 氧化鋁感濕材料無法克服其表面結構“天然老化”的弱點 , 阻 抗不穩定 , 金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩定性差的弱點。氯化鋰濕敏電阻 , 具有最突出的優點是長期穩定性極強 , 因此通過嚴格的工藝制 作, 制成的儀表和傳感器產品可以達到較高的精度 , 穩定性強是產品具備良好的線性 度、精密度及一致性 , 是長期使用壽命的可靠保證。氯化鋰濕敏元件的長期穩定性其 它感濕材料尚無法取代1.4 本設計的內容與具體功能本設計通過對周圍環境的溫度，空氣濕度的測量，輸出 LED顯示，并通過單片機 對測量的數據進行分析， 輸出信號控制溫室天窗和側窗的開關、 天棚遮

12、光， 開燈照明， 噴頭，排風系統，并實現單片機控制板對參數進行控制。最終實現溫室大棚的自動控 制功能。具體功能： （1）檢測和控制 8路溫度和 8路濕度;（2） 通過鍵盤快速或慢速自 動循環顯示 18 路的瞬時溫濕度 , 并停留在顯示任一檢測點的瞬時溫度值上 ,且使用 數字鍵能修改溫濕度給定值 ,能自動控制 16 路檢測點的溫濕度 ,可查詢溫濕度給定值 等；（3）輸出信號控制溫室天窗的開關、天棚遮光，開燈照明，噴頭，排風系統。2 系統設計2.1 控制方法選擇目前, 溫室環境控制大多采用工控系統 ,成本較高 ,不能滿足在設施農業應用中低 成本的要求。而且是集中式控制 ,所有功能都由工控主機來完成

13、 , 造成危險過于集中 , 降低了系統的可靠性和穩定性 , 一旦主機發生故障 , 將會導致整個系統的癱瘓。另外 , 布線復雜、維護困難也是其在溫室環境控制中應用的一大障礙。 考慮到溫室環境控制的復雜性以及設施農業要求低成本的特點 , 利用單片機系統組成 一個分布式控制系統 ,不僅能降低控制系統的危險系數 , 提高系統的可靠性 ,還能根據 溫室環境控制的要求進行擴展。本系統采用單片機控制，相對于其它工控系統有以下特點：1、小巧靈活、價格低。 2、單片機的指令系統中均有極豐富的條件分支轉移指令、I/O 口的邏輯操作及處理功能, 能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務 ,因而可以獲得最佳的性能價

14、格比。 3、單片機有串行接口及并行擴展接口 ,可以方便地實現多機和分布式控制 , 構 成各種規模的多機系統和網絡系統 , 使系統的效益和規模大為提高。檢測元件的選用要求： 1、誤差要求，即精度； 2、適用條件； 3、穩定性； 4、價 格。本系統溫度傳感器選用數字傳感器DS1820它具有成本低，精度較高等特點。濕 度傳感器采用集成濕度傳感器IH3605，它具有濕度量程寬，響應時間短，濕滯回差小， 制作簡單 , 成本低等特點。系 統 主要由中 央處理器 (89C51), 鍵盤和顯示部分(8279), 數 據采 集部分 (ADC0809)組成，此外再加 上一些必需的元件如74LS373鎖存器,74L

15、S02或非 門,74LS74觸發器,74LS06非門,以及若干電阻、電容等(見圖1)。溫濕度采集模塊13837389C51被 控 設 備圖1系統簡圖A/D圖2溫濕度采集模塊溫濕度采集模單片機多路控制開燈關燈噴頭、排風開窗與關窗圖3單片機控制模2.2硬件設計221溫度采集模塊設計在傳統的模擬信號遠距離溫度測量系統中，需要很好的解決引線誤差補償問題、 多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監控現場的電磁環境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度 信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統中，采用 抗干擾能力強的新型數字溫

16、度傳感器是解決這些問題的最有效方案，新型數字溫度傳感器DS1820具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網等優 點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持一線總線接口的溫度傳感器， 在其內部使用了在板（ON-B0ARD專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一 只三極管的集成電路內。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器 網絡。DS1820也支持一線總線接口，測量溫度范圍為-55 C+125 C,在-10+85 C范圍內，精度為土 0.5 Co DS1822的精度較差為土 2 G現場溫度直接以一線總 線的數字方式傳輸，

17、大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量， 如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。產品支持3V5.5V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。DS1820可以程序設定912位的分辨率，精度為土 0.5 C。可選更小的封裝方式， 更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPRO中，掉電后依然保存。DS1820的主要特性(1) 適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源萬式下可由數據 線供電(2) 獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可 實現微處理器與DS1820的雙向通訊(3) DS1820支持多點組網功能，多

18、個 DS1820可以并聯在唯一的三線上，實現 組網多點測溫(4) DS1820在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在 形如一只三極管的集成電路內(5) 溫范圍-30+60C，在-10+60C時精度為土 0.5 C(6) 可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為 0.5 C、0.25 C、 0.125 C和0.0625 C,可實現高精度測溫(7) 在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最 多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快(8) 測量結果直接輸出數字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU同時可 傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯

19、能力(9) 負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作64位和接口刑立CRC生成器圖5溫度傳感器框圖咼速存儲器和控制屠申：朋社楓磁靈鬭牛引腳排列ALLAS051920NCNCNCNCNCNC器 = = = = = = =1 61 5M1 31 21 11 O0L= NeNCNONeNCNCs-00 -OSDS1620S16-FINS*O31624-R3B s PACKAGE圖6溫度傳感器引腳圖引腳功能GNDDQVDDNC地數據I/O可選VDD空腳DS1820工作原理溫度轉換時的延時時間為 750ms DS1820測溫原理如下圖所示。圖中低溫度系 數晶振的振蕩頻率受溫度影響很

20、小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。 計數器1和溫度寄存器被預置在-55C所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數 晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器 1的預置值減到0時，溫度寄存器的值 將加1,計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的 脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器 2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加， 此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器 1的預置值。圖7 DS1820工作框圖2.2.3濕度采集

21、模塊設計集成濕度傳感器IH3605采用集成電路技術，可在集成電路內部完成對信號的調 整。由于其具有精度高、線性好、互換性強等諸多優點，因此得到廣泛的應用。正視圖OUT+圖8 IH3605引腳電源電壓：45.8V;供電電流：200卩A （5VDC ;濕度范圍：0100% RH精度：土 2%RH（0100%RH 25C、V=5VDC ;互換性：土 5% RH（ 0 60% RH ； 8% RH （90% RH ；線性度：土 0.5 % RH （典型）；重復性：土 0.5 % RH穩定度：土 1% RH（50%RH、5 年內）；響應時間：15s （25C及空氣緩慢流動環境下）；工作溫度：40C85C

22、；IH3605的電壓輸出特性4.54.03.53.02.52,01.51-00.51. 07?3. 90 -十0- 81-I I20406080100相對漫度百分比圖 9 輸出電壓與濕度曲線的關系IH3605的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數。電源電壓升高，輸出電壓將 成比例升高，在實際應用中，通過以下兩個步驟可計算出實際的相對濕度值。(1) 首先根據下述計算公式，計算出 25C溫度條件下相對濕度值RH0VOUT=VDC(0.0062RH00.16)其中VOU為IH3605的電壓輸出值，VDC為IH3605的供電電壓值，RH0為25C時 的相對濕度值。(2) 進行溫度補償，計算出當前溫度下

23、的實際相對濕度值RH。RH=RH0(/ 1.05460.00216t)其中RH為實際的相對濕度值，t為當前的溫度值，單位為CIH3605 的輸出電壓與相對濕度的關系曲線如圖所示。典型應用由于IH3605的輸出電壓較高且線性較好，因此電路無需進行信號放大及信號調 整。可以將IH3605的輸出信號直接接到A/D轉換器上，完成模擬量到數字量的轉換。 由于IH3605的輸出信號范圍為0.83.9V (25C時)，所以在選擇A/D轉換器時應選 擇具有設定最小值和最大值功能的 A/D轉換器(比如TLC1549。AT89C2051單片機， A/D轉換器采用TI公司的TLC1549十位串行A/D轉換器，R1、

24、R2、R6設定A/D轉換 器的最大輸入電壓，R3 R4 R7設置A/D轉換器的最小輸入電壓，溫度探頭 D2采用 DALLAS司的全數字式測溫集成電路 DS1820由P10 口讀入溫度值，在單片機內將 讀到的濕度值進行溫度校正，得到實際的相對濕度值。2.2.4 采樣與模數變換電路設計并行模數轉換器接口是一種常用的計算機與外界聯系方式。 計算機所能處理的數 據是數字形式 , 它通過模數轉換器把現場連續的、 模擬的信號數字化 , 再對數字信號進 行處理,根據處理結果產生相應的命令。ADC0809具有8路輸入,可以同時對多路溫濕 度進行采樣和轉換 , 還可以通過前向通道模擬開關進行路數擴展。由于溫室溫

25、濕度變 化范圍比較小 , 由溫度變化引起的電壓變化范圍也比較小。為了提高系統的靈敏度和 準確性，首先對傳感器的輸出電壓進行適宜的放大，使放大后的電壓盡可能在05V之 間變化,這樣使得ADC0809的采樣“帶寬”變得較寬,ADC0809的轉換結果變化更大, 能更好地把溫室溫度表現出來。傳感器的輸出接入到 ADC0809勺INTO腳。與此同時, 引入了運算放大器之后,使系統電路具有信號保持功能,為ADC080提供穩定的采樣信 號,從而提高系統的穩定性和準確性。系統由模擬開關 CD4051來控制選通16路溫濕 度的任一路,可以同時對8路溫濕度進行采樣和控制。由于ADC0809具有8個采樣端, 如引入模擬開關之后，系統具有很強的擴展能力，使得系統具有應用的靈活性。圖10采樣與模數變換電路2. 4本章小結本系統采用單片機控制，相對于其它工控系統有以下特點：1、小巧靈活、