1、 設計（論文）專用紙智能溫濕度傳感器硬件設計姓名：王洪寬 專業：機械工程及自動化年級：07級學校：昆明理工大學指導老師：張文斌職 稱：副教授 所在單位：昆明理工大學目錄摘要ivabstractv第1章 緒論11.1 課題介紹11.2 傳感器技術發展現狀21.2.1 傳感器技術發展現狀21.2.2 智能傳感器技術發展31.3 智能溫室控制系統應用現狀61.3.1 智能溫室控制系統發展現狀61.3.2、智能溫室控制系統傳感器的選擇71.4本論文的主要任務8第2章 智能溫濕度傳感器數據采集模塊的硬件設計102.1 傳感器選擇依據102.2 傳感器主要特性112.2.1 溫度傳感器主要特性112.2.

2、2 hs1101濕度傳感器主要特性。152.3 傳感器外圍電路的設計192.3.1 max6691芯片的簡介及主要特點192.3.2溫度傳感器對溫度的測量202.3.3 555定時器特點及芯片簡介223.3.4濕度傳感器的測量電路25第3章 智能溫濕度傳感器中央處理器及其外圍電路283.1 單片機的選擇283.11 飛思卡爾單片機的應用現狀283.1.2單片機的選擇293.2 mc9s12x128-80pin嵌入式系統單片機313.2.1 mc9s12x128-80pin嵌入式系統單片機的特點313.2.2 mc9s12x128-80pin嵌入式系統單片機的內部結構31第4章 protel電路

3、設計與制板344.1 protel軟件特點及電路設計步驟344.1.1 protel軟件特點及簡介344.1.2 電路板設計基本步驟354.2 電路工程設計部分354.2.1電路原理設計354.2.2 原理圖設計364.3 pcb板的設計384.3.1 元器件的布局設計394.3.2 pcb布線設計39第5章 智能溫濕度傳感器的標定試驗445.1 溫度傳感器的標定試驗445.2 濕度傳感器的標定實驗45結論48總結及體會50謝辭52參考文獻53附錄55附錄一：部分實驗圖片55附錄2：外文及譯文56外文原文56中文翻譯68摘要溫室環境調控水平對發揮設施農業優質高效的生產功能具有重要影響。特別是對

4、稀有植物、珍貴花卉和苗木的培養困難這一特點，提出了溫室控制系統理論。而溫室控制系統的關鍵技術是對溫度和濕度的準確采集。針對溫濕度采集問題提出了智能溫濕度傳感器的設計。智能溫濕度傳感器是一個由傳統傳感器和微處理器(或微計算機)相結合而構成的一個系統，它充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數據進行處理，并能對它的內部行為進行調節，使采集的信號最佳。它的智能化體現在信號的采集、調理、處理及輸出的整過程都是由系統本身完成的。系統的優點主要包括：系統精確度高、反應靈敏、輸出響應快、節省電能以及長期工作穩定等方面。從傳感器的性能特點入手，設計調理電路使得傳感器線性度好，靈敏度高，輸出精確且能適應長期

5、工作等優點，再由微處理器對采集到的數據信號處理輸出顯示或者直接控制驅動模塊實現對溫濕度的直接控制，本設計實現了同時四路溫度采集和兩路濕度度采集，滿足溫室控制系統的同時對多點信號采集的要求。關鍵詞：溫室控制；智能；傳感器；信號處理abstractthe greenhouse environment regulation level of facilities agriculture play high quality and high efficiency on the product function has important influence . especially for rare

6、plants, rare flowers and seedling cultivation difficulties of characteristic that puts forward the greenhouse control system theory. but the key technology of greenhouse control system is accurate acquisition for temperature and humidity. according to the collection problem has proposed intelligent

7、temperature and humidity sensor design.intelligent temperature and humidity sensor is a system that from traditional sensor and microprocessor (or micro computer), combined constitute system, which is fully utilize the computer calculation and storage capacity for sensors data processing, and for it

8、s internal behavior can be adjusted, make the acquisition of the signal is the best.its intelligent reflected in signal collection, tones, processing and output whole process is completed by the system itself. system mainly advantages includes that system with high precision and senstive reaction, o

9、utput fast response, save electricity and long-term stable work, etc. from the performance characteristics of sensor design regulate circuit that make the sensor has excellent linearity, high sensitivity, output precise and can adapt long-term work etc, and then microprocessor can control collected

10、data signal processing output displays or direct control of temperature and humidity driver module realize the direct control. this design realized four ways of temperature and two road humidity acquisition.meet the requirements of the greenhouse control system in multi-point signal acquisition. key

11、words：greenhouse control ；intelligence ； sensor； signal processing第 81 頁 第1章 緒論1.1 課題介紹溫室環境調控水平對發揮設施農業優質高效的生產功能具有重要影響。尤其是稀有植物、珍貴花卉和苗木的生長都需要某種特定的溫度、濕度和光照度等條件，當環境條件不能滿足上述要求時，它們便停止生長，甚至腐爛、死亡。而要獲得植物生長所需的最佳條件，不能單獨靜態地考慮某一因素，而應從整體上綜合地研究環境參數控制問題。溫度對植物生長的影響是綜合的，它既可以通過影響光合、呼吸、蒸騰等代謝過程，也可以通過影響有機物的合成和運輸等代謝過程來影響植

12、物的生長，還可以直接影響土溫、氣溫，通過影響水肥的吸收和輸導來影響植物的生長。空氣相對濕度或飽和差是影響植物吸水與蒸騰的重要因子之一。在相對濕度較小（飽和差較大）時，如土壤水分充足，則植物蒸騰較旺盛，植物生長較好。若較長時間空氣濕度處于飽和條件下，植物生長將受抑制，導致谷物子粒的灌漿速度降低，棉花蕾鈴脫落加重，棉子生命力降低和影響棉花采收質量等。相對濕度太小，會加重土壤干旱或引起大氣干旱，特別在氣溫高而土壤水分缺乏的條件下，植物的水分平衡被破壞,水分入不敷出，會阻礙生長而造成減產。相對濕度和飽和差的高低，可制約某些植物花藥開裂、花粉散落和萌發的時間，從而影響植物的授粉受精。影響植物生長的因素主

13、要有溫度、濕度、土壤水分、光照度和co2濃度等。研究發現溫度對植物的影響占40，濕度占28，它們對植物的生長起主要作用。因此，本系統主要研究溫度和濕度對植物的影響和智能化溫室中對環境溫濕度的調控。智能化溫室控制系統，即根據植物生長發育的需要，通過傳感器技術、微型計算機及單片機技術，自動測控溫室的環境參數，其中包括溫度、濕度、光照度等，使植物在不適宜生長發育的反季節中，獲得適宜的環境條件，達到早熟、優質、高產的目的1。1.2 傳感器技術發展現狀1.2.1 傳感器技術發展現狀國標gb7665-87中將傳感器定義為能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。作為現代科技的前

14、沿技術，傳感器技術在國內外得到迅速發展，作為信息、采集的手段，傳感器是現代高新科學技術發展的不可或缺的重要技術，世界上許多國家都將傳感器技術作為現代科技發展的關鍵技術。我國在“十五”計劃中把傳感器微電子作為重點發展項目。傳感器技術是信息、技術的二大基礎之一，自80年代起就得到了世界各國的重視。在今后的發展中，新材料的開發、集成化、多功能化、智能化、加上技術微精細化、指標高精度化、性能高穩定、高可靠及網絡化將成為傳感器技術的研究重點。其中智能化和網絡化體現了多種技術的結合，是當今國際研究熱點之一。隨著網絡時代的進步和信息化程度的不斷提高，計算機網絡技術和智能傳感技術的結合日趨緊密，并由此產生了智

15、能傳感器網絡技術2。從傳感器技術的發展趨勢來看，應當重視發展先進的傳感器制造工藝技術，研制新型傳感器產品。當前應當大力發展mems工藝和微傳感器，集成工藝和集成傳感器，智能化技術和智能傳感器，網絡化技術和網絡傳感器3。傳感器的準確度、穩定性和可靠性以及數據處理能力一直是用戶最為關心的問題。因此，長期以來人們不斷致力于重新認識和發現新的物理、化學、生物現象，開發新材料，發展微細加工技術，以求在傳感器硬件方面有更大的進展。系統自動化程度的提高和復雜性的增加，使以微型計算機為基礎的測控系統需要傳感器提供數據以做出實時決策，因而給傳感器的綜合精度、穩定可靠性和響應提出了越來越高的要求。目前，人們將微處

16、理器智能技術和微機械加工技術(mems )應用于傳感器，不再是僅依賴硬件的改進，而是用存放于微處理器中的功能強大的軟件對系統進行非線性自動校正、自校零、自校準、自補償、自檢驗、抑制噪聲。此外，人工智能、專家系統、模糊邏輯、神經網絡等也加強了對傳感技術的影響，增強了傳感器的“智能化”功能，這就是智能傳感器(smart sensor)或智能換能器(smart transducer)。因此計算機的出現和微處理器技術應用于傳感器是“dumb sensor”和“smart sensor”的分水嶺。將ip傳感器布置在測控現場，處于控制網絡中的最低級，其采集到的信息傳輸到控制網絡中的分布智能節點，并由它處理

17、，然后傳感器數據散發到網絡中。網絡中其它節點利用這些信息作出適當的決策，如操作執行器、執行算法4。集成電路和微機械工藝促進了傳感器技術的發展，改變了傳感器作為單純物理量轉換的傳統概念。目前，傳感器的發展主要集中在集成化和智能化兩個方面。集成電路和各種傳感器的特征尺寸己達到亞微米和深亞微米量級，由于非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積、重量、價格等的減小。智能化是將傳感器(或傳感器陣列)與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上(或封裝在同一管殼內)。系統能夠通過電路進行信號提取和信號處理，根據具體情況自主地對整個傳感器系統進行自檢、自校準和自診斷，并能根據待測物理量的大小及變化情況自動選

18、擇量程和測量工作方式。和經典的傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統的體積、降低制造成木、提高測量精度、增強傳感器功能，是目前國際上傳感器研究的熱點，也是未來傳感器發展的主流5。1.2.2 智能傳感器技術發展本設計傾向于智能化傳感器的設計，作為智能傳感器，應具有如下功能(不必須全部具備)6：(1)自補償能力：通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償。(2)自校準功能：操作者輸入零值或某一標準量值后，自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。(3)自診斷功能：接通電源后，可對傳感器進行自檢，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發生故障的部件。(4)數值處理功能：可以根據

19、智能傳感器內部的程序，自動處理數據，如進行統計處理，剔除異常值等。(5)雙向通信功能：微處理器和基本傳感器之間構成閉環，微處理機不但接收、處理傳感器的數據，還可將信息反饋至傳感器，對測量過程進行調節和控制。(6)信息存儲和記憶功能。(7)數字量輸出功能：輸出數字信號，可方便的和計算機或接口總線相連。為便于產品的進一步推廣應用，本系統除應具有以上主要功能外，還要求在軟硬件的實現上，經濟實用。智能傳感器的概念最初是美國宇航局(nasa) 1978年在開發宇宙飛船的過程中形成的。宇宙飛船在太空飛行時，需要知道它的速度、姿態和位置等數據。為了宇航員能正常生活，需要控制艙內溫度、氣壓、濕度、加速度、空氣

20、成分等，因而要安裝大量的傳感器，進行科學實驗，觀察也需要大量的傳感器7。要處理如此之多的由傳感器所獲取的信息，需要，一臺大型電子計算機，而這在飛船上是無法做到的。為了不丟失數據，又要降低成本，于是提出了把cpu分散化處理的設想，從而產生出智能化傳感器。關于智能傳感器的概念，從80年代起就在傳感器學術刊物上進行討論8。一種看法認為：將一個或多個敏感元件或某些信號調節電路集成到一個硅或類似硅的芯片上。另一種看法認為：除了集成的智能傳感器外，將敏感元件和電子線路都緊湊地安裝在同一外殼內的叫智能傳感器。通常，后者也稱之為混合智能傳感器9。90年代初國際上關于智能傳感器比較一致的看法是：具有一種或多種敏

21、感功能、信號提取、信號處理、邏輯判斷、雙向通訊、決策、自檢、自校、自補償、自診斷、計算等功能的器件叫智能傳感器。針對不同的測試對象，智能傳感器的上述功能有所側重和選擇。國外“smart sensor”和“intelligent sensor”的用法轉化而來的智能傳感器一詞，從這個概念推出以來，學術界就有不同的爭議。目前國內外學者普遍認為10,智能傳感器是由傳統的傳感器和微處理器(或微計算機)相結合而構成的，它充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數據進行處理，并能對它的內部行為進行調節，使采集的數據最佳。其原理圖1-1。 圖1-1 智能傳感器原理框圖微處理器舉世矚目的成就帶來了數字化、信息

22、化的革命，人們將微處理器智能技術用于傳感器，使這一設想得以實現。八十年代末期，人們又將微機械加工技術和納米技術應用到傳感器，使智能傳感器的開發和應用有了更加廣闊的前景。mcu在各種領域的成功應用已引起傳感器行業越來越大的興趣，眾多的傳感器家族中正不斷出現帶mcu的新成員。mcu的加入給傳感器的日益智能化帶來了不可估量的影響，解決了長期困擾傳感器應用的調零、線性化、自檢、通訊和微型化等難題，人們正越來越多地體會到采用計算機技術將傳感器從硬邏輯轉化到軟邏輯的諸多優點。與此同時，mcu在其他領域的技術發展也必將被應用到傳感器領域中。節電設計就是其中之一。在mcu未加入之前，傳感器的節電措施主要依賴于

23、低功耗器件、降低工作電壓和工作頻率。然而，傳感器在運行過程中或多或少地存在著各種等待狀態，此時的無謂耗電完全應該節省下來，但由于傳統傳感器的工作方式和工作節奏都難以在運行時改變，因而，很難實現這種節電目標。如今mcu的加入卻能改變這一狀況11。當然，由于過程測量控制領域的系統設計壽命一般都有幾十年，因此，目前大規模地更換現有系統，從經濟角度顯然是不現實的12。因此，在今后相當長的段時間內，智能傳感器技術的發展雖然是大的方向，但傳統傳感器與智能傳感器并存也是要有相當一段時間的。然而，作為傳感器發展的一個重要方向，智能傳感器的研究得到了國內外許多學者的關注。任宏超等設計了帶usb接口的智能傳感器，

24、在通過485-usb轉換，實現智能傳感器的現場標定13；秦剛等的研究給出了智能傳感器實現的二元非線性補償的幾種方法和實施步驟。通過采用計算機先做非線性補償工作，再將所需的程序及數據傳遞給智能傳感器，使智能傳感器能獨立工作，這樣可以較明顯地降低智能傳感器的成本14。和傳統的傳感器相比，集成式微型智能傳感器具有體積小、速度快、成本低、功耗少、可靠性高、精確度高以及性能優越、功能強大等優點。正是這些優點使集成式微型智能傳感器成為目前傳感器技術的研究熱點和發展方向15。1.3 智能溫室控制系統應用現狀1.3.1 智能溫室控制系統發展現狀近幾十年來，隨著計算機、電子等方面相關工程技術的發展，設施園藝有了

25、很大的發展。荷蘭的人地矛盾非常突出，人口密度很大，但同時它的園藝、種苗、溫室設施設備等享譽世界，是世界上農產品出口最大的國家之一。1萬h的設施栽培，是荷蘭經濟的重要支柱。荷蘭溫室結構主要是文洛型，近年來，開始向大型化方向發展，0.5 h時以下的溫室越來越少。荷蘭的種苗行業十分發達，種植者一般都不自己播種育一苗，130多家種苗公司向種植者提供優質種苗、種子。在溫室結構、計算機控制、機械化、自動化方面的技術、設備開發以及農產品的分級、包裝、運輸等方面大型溫室公司起著重要的作用，促進了設施園藝的發展。荷蘭的de wit學派，在基于作物生一長模型的溫室控制系統方面提出一系列的控制模型理論。美國設施園藝

26、是從二戰后開始起步的，在其強大的工業技術支撐下，20世紀90年代以后，又有了較大的發展。在設施專用品種、溫室降溫設備、環境控制的傳感器設備方面均處于世界領先地位。在國家相關部門的支持下，其在作物生長模型及配套的控制系統方面都有了很大的進展。以色列由于其惡劣的自然條件，人力發展了設施園藝產業，尤其在微灌沒施及控制領域，處于世界領先地位。世界上首個具有一定實際應用價值的溫室作物模型就是該國科研人員的研究成果，在溫室專用作物品種的開發研究方面，也具有相當的優勢。日本溫室以塑料溫室為主，因而其塑料行業也比較發達。在溫室內配套的小型農用機具方面，日本的產品在國際市場上有一定地位。通過計算機控制溫度、濕度

27、、c02、肥料等的設備(日本稱為“植物工廠”)，已在日本普及。另外，法國、西班牙、英國、韓國、加拿大、澳大利亞等國的設施農業都是比較發達的。部分國家在設施園藝領域還開展了國際合作，并取得了一定的成果。隨著近年來國家相關科研項目的啟動，在吸收國外先進技術成果的基礎上，我國的設施農業有了較快的發展，設施面積和設施水平不斷提高。在產業化方而發展態勢良好，溫室結構與設備的研究達到了相當高的水平16，溫室作物與環境模型的研究近年來也有不少文獻報道17。在溫室環境控制設備及技術方面，浙江大學、中國農業大學、吉林大學、江蘇大學等在基于單片機應用條件下的工業現場控制總線技術,遠程通信系統及接口技術、分布式網絡

28、控制技術,藍牙技術等方面的技術在溫室中的應用作了大量的研究，并取得了一定的成就，國產的溫室控制系統開始在一些農業園區中使用。1.3.2、智能溫室控制系統傳感器的選擇數據采集系統是溫室整個檢測控制系統的信息來源，它關系到整個系統檢測、分析加工和控制的可靠性與準確性。傳統的溫室數據采集系統通過各種傳感器對溫室的環境參數(光照、溫度、濕度、coz濃度和營養液ph值和ec值等)和作物的生理參數(植物的表面電位、蒸騰量、微量生長、植株水勢和植株形態等)進行檢測，對采得的原始數據進行a/d轉換和一定的預處理后，通過總線(如rs232和rs485 )向主機傳輸18。周長吉等認為傳感器是溫室控制裝置準確控制的

29、第一要素，它獲得信息的正確與否直接關系到整個系統的測量精度和控制精度。所以，選配合適的傳感器是進行自動控制的一個重要步驟19。嵌入式計算機接口的下一個主要突破將是使數字器件能監視模擬世界的便宜的傳感器。溫度傳感器，光傳感器，運動傳感器，以及其它傳感器己經使得嵌入式計算機能夠跟蹤許多真實世界的活動與情況。隨著這些技術的成熟，更復雜的器件將像眼睛，耳朵以及其他感覺器官那樣，為計算機網絡服務20. 這里主要針對溫度和濕度傳感器的選擇。作物的生長與溫度和濕度有密切關系，農業設施的控制參數中，溫度與濕度檢測、控制是主要參數之一。在這里我們選擇的溫度傳感器是ntc熱敏電阻傳感器和hs1101濕度傳感器。具

30、體原因在下一章中給于介紹。至今為止，人們只是監測作物周圍的環境情況，并沒有測量作物本身。將來這種情況可能會改變，諸如植株的溫度、光合作用、蒸騰作用、莖和果實的直徑變化等一些生理過程也將被測量。溫室中的一氧化碳濃度將根據植株光合作用的情況來決定，用蒸騰作用的實際數據來決定水分和營養液的供給景(無土栽培)，通過檢測植物的攀和宋實的直徑變化，來決定植物的灌溉間隔，根據植株的溫度的測量值來進行溫室內的環境控制等。這要求測量更多的參數，所需的傳感器種類會越來越多，傳感器在溫室大棚的應用前景也會越來越廣闊，所以，在穩定已有產品性能的同時，開發適用于溫室環境控制的各類傳感器是當務之急。1.4本論文的主要任務

31、本論文相關研究內容為基于單片機技術的智能溫室控制系統。其硬件結構示意圖如圖1-2。論文主要任務是結合我國溫室的實際情況，選擇合適的溫濕傳感器，設汁外圍調理電路，并將調理后的模擬信號通過一些集成芯片轉換為數字信號，傳入單片機，由單片機對所采集的數據進行分析，從而控制輸出顯示和控制噴淋、遮陽、通風、加熱 等環境參數調節執行系統。使得溫室內的環境參數最適合所培植的植物生長，達到提高產量和質量的目的。圖1-2 溫室智能傳感器模塊示意圖 第2章 智能溫濕度傳感器數據采集模塊的硬件設計2.1 傳感器選擇依據傳感器的信號是整個測控系統的基礎，它的準確性和合理性對整個測控系統的性能有重要影響，在本論文相關設計

32、中，對于傳感微部分的選擇主要考慮了以下幾個方面的內容：首先，通過查閱大量農業園區的基本信息，我們發現在實際的生產性溫室中，目前基于我國實際國情，溫度、濕度傳感器的使用是最為普遍的，而其他的傳感器在生產性溫室中應用不多，因此，本設計中選擇對溫度、濕度傳感器集成。其次，傳感器本身的精度要求必須合乎溫室控制系統設計規范中的規定：溫度測量范圍0-50 ；測量誤差±0.5 ；濕度測量范圍0-100%rh；測量誤差±0.5%rh (中華人民共和國機械行業標準jb/t10306-2001)。再次，綜合考慮傳感器的價格和性能要求方面，根據前文對傳感器發展趨勢的分析，本設計中，在傳感器的選擇

33、上盡量選用了集成度比較高的產品。溫度傳感器采用了負溫度系數的的熱敏電阻溫度傳感器，該傳感器與max6691配合使用，大大的簡化了調理電路的復雜程度，并且最多可以同時檢測四路溫度，滿足溫室測控中對多點溫度的同時檢測。相關論文中涉及比較多的ad590和ds18b20相比較，具有明顯的價格優勢，并能夠合乎本系統的設計要求。濕度傳感器采用hs1101電容式濕度傳感器，它具有很好的精度，它的外圍電路設計簡單，從而提高了系統的可靠性。最后，在傳感器的選擇上，還考慮到了由于溫室中傳感器是在系統中發揮作用，因此傳感器的性能必須符合以下要求：長期穩定性好。溫室控制是一個長期的過程，只有長期工作穩定才適用。這就需

34、要解決涉及傳感器穩定性的關鍵技術，包括材料、工藝等。能適應系統要求，溫室農業的實質是實現人為調節和控制作物生長環境條件，是通過一個閉環系統來實現的。因此傳感器的性能都應該與控制系統相適應。尤其是傳感器的長距離布點、傳感器靈敏度的一致性、傳感器的響應時間等，這樣才能使系統真正做到快速反應和調控環境的高效工作。優良的性能價格比，出于用量較大，因此必須要求其價格較低廉，否則難于推廣。2.2 傳感器主要特性本設計中選用的傳感器分別為ntc負溫度系數熱敏電阻溫度傳感器，hs1101電容式濕度傳感器。2.2.1 溫度傳感器主要特性本設計采用的ntc熱敏溫度傳感器由指導老師張文斌副教授提供。ntc溫度傳感器

35、的簡介及其主要特性如下21：熱敏電阻傳感器是對溫度敏感的電阻器的總稱，是半導體測溫元件。負溫度系數熱敏電阻大多是由mn(錳)、ni(鎳)、co(鉆)、fe(鐵)、cu(銅)等金屬氧化物經過燒結而成的半導體材料制成，具有很高的靈敏度和良好的性能，被大量作為溫度傳感器使用。ntc熱敏電阻具有靈敏度高、熱容量小、響應速度快、體積小、價格低、高阻值等優點，使它被廣泛用于家用電器、電力工業、軍事科學、海洋探測、宇航等溫度測量和控制的場合。但由于熱敏電阻的溫度特性存在嚴重的非線性，因此，用在精密測溫系統時，必須對它進行高精度線性化補償。常用的ntc熱敏電阻非線性補償方法有22：(1)ntc熱敏電阻經驗公式

36、法，在較寬溫度范圍測量應用時，測溫誤差較大；(2)直接多項式擬合法，在寬溫度范圍應用時，擬合的多項式階數較高，測量精度低； (3)分段多項式擬合法,補償算法又較為復雜。(4)硬件電路補償法，在一定的溫度范圍內能得到較滿意的補償效果，但在寬溫度范圍使用時存在電路復雜、可靠性和準確度低等不足；針對溫室控制系統的特點，其測量范圍是一個很小的范圍內，所以本設計采用方法（4）硬件電路補償法，此法在一定溫度范圍內能有滿意的效果。ntc負溫度系數熱敏電阻傳感器是溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化1 時電阻的變化)最高，但熱敏電阻的電阻溫度曲線是非線性的。對于

37、溫度傳感器特性，本實驗數據是在標準的環境下測量得到的，其中用到的可程式恒溫恒濕試驗機是東莞市宏展儀器有限公司所生產的。可程式恒溫恒濕試驗機又稱模擬環境試驗機，其可靠度、精確度很穩定性極為重要。其應用產業包括光電、半導體產業、電子相關零件產業、家用電器、電子禮品、文具禮品汽車零件業及計算機相關產業等。可程式恒溫恒濕試驗機其型號為lp-80u。溫度范圍為-40到150（可根據實際需要任意設定）；濕度范圍為20%rh到98%rh（可根據實際需要任意設定）。其升降溫速度從常溫到150需約40分鐘（非線性空載，約3.5/分鐘），從常溫降至-40需約60分鐘（非線性空載，約1.0/分鐘）。機器的精確度很高

38、，解析精度：溫度為±1.0，濕度為±1.0%rh；控制精度：溫度為±0.5，濕度為±2.5%rh；分布精度：溫度為±2.0，濕度為+2.0/-3.0%rh。基于可程式恒溫恒濕試驗機在編程上簡單，測量精度高，為傳感器性能參數測量提供了準確的環境，使得實驗數據精確度大大的提高。其操作界面如圖2-1所示。圖2-1 可程式恒溫恒濕試驗機操作面板在溫度傳感器性能參數測量過程中，還使用了固緯電子實業股份有限公司生產的高精度lcr測量儀lcr-8101,其主要性能包括20hz-1mhz寬測試頻率，6位測量解析度；10mv-2v測量電平；0.1%基本測量精度。

39、測量類別很多，包括：電容、電感、電抗、電納、阻抗、導納、直流電阻、交流電阻、品質因子、耗散因子和相位角等。并且一次可測量多個量。其操作界面簡單，使用方便。測量精度高，為實驗數據準確度提供了可靠的保障。其控制面板如圖2-2所示。圖2-2 高精度lcr測量儀操作面板在對溫度傳感器性能參數測量過程中，首先通過對可程式恒溫恒濕試驗機編程，使其溫度范圍從-20到+100間隔0.5緩慢上升，且每上升0.5停留5分鐘，便于lcr-8101測量儀測出相應的數值，因為在讀數過程中，數據始終有一點波動，固在這5分鐘內對應的同一個溫度下，測量3個電阻值，在求其平均值，作為最終的數值，以便于減小測量誤差。其測量數據見

40、附錄。同理再從100到-20測量一次。得出相應的實驗數據，分別從各組數據中以間隔10取出數值，畫出傳感器阻值隨溫度變化曲線。見表2-1和圖2-3所示。表21中數據是用對1ok3a1熱敏電阻系列測得的ntc熱敏電阻器性能參數。表2-1 熱敏電阻性能參數表temp（） rt (k) rt/r25-20 95.3370 9.53370-10 54.7694 5.476940 32.5030 3.2503010 19.8747 1.9874720 12.4922 1.2492225 10.0000 1.0000030 8.0541 0.8054140 5.3164 0.5316450 3.5870 0

41、.3587060 2.4700 0.2470070 1.7337 0.1733780 1.2381 0.1238190 0.8991 0.08991100 0.6630 0.06630從數據可以看出：25時阻值為10k的電阻，在0時電阻為54.8k，60時電阻為2.47 k。與此類似，25時電阻為5k的熱敏電阻在0時電阻則為274k。其中電阻值以一個比率形式給出(r tr25 )，該比率表示當前溫度下的阻值與25時的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻溫度曲線口。圖2-3 ntc熱敏電阻（rt/r25）隨溫度t變化關系2.2.2 hs1101濕度傳感器主要特性。濕度傳感器

42、是根據某種物質從其周圍空氣中吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，從而獲得該物質的吸水量和周圍空氣的濕度。濕度傳感器分為電阻式和電容式兩種，產品的基本形式都是在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數發生很大的變化，從而制成濕敏元件。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，由于它具有靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。但電阻對溫度的敏感因而限制了器件在較大溫度范圍內的應用，因而電容濕度傳感器越來越受到重視。其特點為：（1）全互換性在標準環境下不需校正；（2）長時間飽和下快速脫濕

43、；（3）可以自動化焊接包括波峰焊或水浸；（4）高可靠性與長時間穩定性；（5）專利的固態聚合物結構，可用于線性電壓或頻率輸出回爐；（6）快速反應時間23。本設計所使用的hs1101電容型濕度傳感器在淘寶網上購買的，單價9元。在測量過程中同樣使用了可程式恒溫恒濕試驗機為實驗提供濕度環境，在整個測量過程中，濕度從20%rh以間隔5%rh上升至95%rh,每對應一個濕度值停留10分鐘。在這10分鐘內讀出5個值，求其平均值得到最終的數據。同樣使用高精度lcr測量儀測得對應濕度環境下的電容值。測完后和溫度傳感器一樣在反過來測量一次，取出對應值畫出兩條濕度與電容關系曲線。這樣得到到的數據和誤差可以減小到最小

44、。在溫度t=65時，測量工作頻率為10khz，crh 特性曲線如圖1，從特性曲線圖上可以看出，hs1101具有極好的線性輸出。其工作機理是當基于電極間的感濕材料吸附環境中的水份時，其介電常數隨之變化，等效電容與環境中水蒸汽的關系表示為式2-1所示：c=0××s/d （2-1）其中0是真空介電常數、是感濕材料的介電常數、s是電容式傳感器有效面積、d為感濕膜厚度。hs1101濕度傳感器的線性輸出電壓與濕度的關系如式2-2所示：vo=vcc(0.00474×%rh+0.2354) （2-2）其中vo為濕度傳感器輸出電壓，vcc為電源電壓，%rh為對應的環境適度。在環境濕

45、度檢測中，既可以利用hs1101濕度傳感器的等效電容與濕度的關系，組成振蕩器，將濕度與電容的關系轉化為濕度與頻率的關系，測量頻率達到檢測 濕度的目的；也可以利用hs1101濕度傳感器的輸出電壓與濕度的關系，測量電壓實現濕度檢測。本系統利用hs1101的等效電容與濕度的關系，測出頻率實現濕度的測量。在對濕度傳感器性能參數測量過程中使用了東莞宏展儀器有限公司所生產的可程式恒溫恒濕試驗機為其提供標準的濕度環境，濕度環境變化范圍為20%rh到95%rh,為了使得濕度的便范圍最大化，固把溫度值固定在65，還使用了固緯電子實業股份有限公司生產的高精度lcr測量儀lcr-8101，測量其電容，量實驗儀器在上

46、節溫度測量過程中使用過，其性能參數不再做介紹。所得實驗數據如表2-2所示。得到其電容隨其濕度的變化關系如圖2-4所示。表2-2 濕度傳感器hs1101性能參數濕度(%rh) 電容值(pf) 濕度(%rh) 電容（pf）20 20.397 95 258.66025 221.392 90 254.38230 223.162 85 250.81335 224.680 80 246.98840 226.356 75 243.26445 227.867 70 240.34950 230.067 65 237.84155 232.213 60 234.70760 234.430 55 232.87965

47、236.875 50 230.68270 239.688 45 228.46175 242.500 40 226.35980 245.806 35 224.38685 249.659 30 222.63090 253.993 25 220.93295 258.433 20 219.739圖2-4 濕度傳感器電容隨濕度變化曲線hs1100濕度傳感器是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容值呈線性規律。在自動測試系統中，電容值隨著空氣濕度的變化而變化，因此將電容值的變化轉換成電壓或頻率的變化，才能進行有效地數據采集。用555集成電路組成振蕩電路，hs1100濕度傳感器充當振蕩電容，從而

48、完成濕度到頻率的轉換。hs1101濕敏傳感器是采用側面開放式封裝，只有兩個引腳。有線性電壓輸出和線性頻率輸出兩種電路。在使用時，將2腳接地，這里選用頻率輸出電路。該傳感器采用電容構成材料，不允許直流方式供電，所以我們使用555定時器電路組成單穩態電路。2.3 傳感器外圍電路的設計2.3.1 max6691芯片的簡介及主要特點本系統應用maxim公司生產的芯片max6691與ntc熱敏電阻溫度傳感器配合使用，同時對四路溫度采集。首先對max6691做簡單的介紹24。max6691是美國maxim公司推出的一款新型單線(1wire )接口四通道熱敏電阻溫度脈寬轉換器，可用于測量四個外接熱敏電阻的溫

49、度，并將所測溫度值轉換成一個pwm輸出的矩形脈沖序列。每個脈沖的寬度與對應熱敏電阻的溫度相關。由于該器件采用1wire接口，它可以在只占用微處理器一個i0端口的條件下測量四個被測量點的溫度，因而非常適用于io端口資源比較緊張的多點分布式溫度測量控制系統。max6691的主要特點如下：具有簡單的1wire接口；最多可測量四個熱敏電阻的溫度；流過熱敏電阻的平均電流很小，因而可減小自身發熱所產生的測量誤差；采用內部基準電壓，可使熱敏電阻與電源噪聲隔離；適用于任何溫度范圍的熱敏電阻。max6691的工作原理溫度測量過程如下：max6691采用1o腳封裝，其引腳說明及封裝如圖1所示。max6691含有一

50、個漏極開路的i0端口，可以很容易地與各種類型的微處理器i0端口相接。采用max6691測量溫度時，首先由微處理器發出一個低電平的轉換請求脈沖(5tps)給max6691，然后釋放i0端口。max6691完成溫度轉換后，會發出一個寬度為125ps的低電平脈沖給微處理器，以表示數據已準備就緒。此后便可從該脈沖的上升沿開始，依次發出四個pwm脈沖，每個脈沖的寬度與對應熱敏電阻的溫度相關。這樣，當微處理器利用內部計數器測出每個脈沖的寬度后，即可直接計算出每個熱敏電阻的溫度值。max6691外部引腳圖如圖2-5所示，工作原理圖如圖2-6所示。圖2-5 max6691外部引腳圖圖2-6 max6691工作

51、原理圖2.3.2溫度傳感器對溫度的測量溫度測量過程：max6691外接的四個熱敏電阻rt1rt4中的每一個都依次與固定電阻rest腳構成一個電阻分壓器，并由內部基準電壓vref供電,當微處理器發出測量請求并釋放io端口后，max6691將基準電壓vref施加于rext的r+端。由于rext的r-端依次與四個熱敏電阻rt1rt4相連接，因此，max6691將依次測量出vref和電阻rext兩端的電壓vext，同時利用內部的電壓脈寬轉換器將電壓值轉換成不同寬度的脈沖如圖2-7所示，然后通過運算得出所測溫度。當max6691完成第一個vext值(對應于rt1的溫度)的測量后，首先將io端口電平拉低并

52、保持125xs，然后保持高電平一段時間thigh1(thigh1與第一個vext值成線性關系)，接著再保持低電平一段時間tlow(tlow與vref值也成線性關系)。隨后，max6691依次將其它三個熱敏電阻的溫度數據按照同樣的方式發送出去。發送完畢后，max6691將io端口釋放為高電平，從而完成一次測量轉換過程。其脈沖寬度thigh和tlow以及電阻rext和rt 之間的關系如式2-3所示：thigh/tlow=vext/vref-0.0002=rext/(rext+rt)-0.0002 （2-3）電壓vref與熱敏電阻溫度之間的關系取決于固定電阻rext和熱敏電阻的性質。如果熱敏電阻阻值

53、rt和溫度之間的關系已知，微處理器就可以利用內部計數器，并通過測量thigh和tlow的寬度來確定熱敏電阻的溫度。在每次測量轉換過程中，max6691會向i0端口發出四個脈沖。如果某個熱敏電阻對地開路或短路，那么，它所對應的脈沖將是一個窄脈沖(thigh0.05tlow)。所得到的脈沖如圖2-7所示。圖2-7 max6691溫度脈寬轉換時序圖其中t1、t2、t3、t4代表溫度值，各符號表示的意思如下：tstart變換開始脈沖，變換開始需要c將i/o口拉低；tready變換結束脈沖，變換結束由max6691將i/o口拉低；tconvv/pwm變換時間；terrorthigh的脈沖寬度小于tlow的5%，說明該傳感器開路或短路故障。rext的選擇：選擇rext使熱敏電阻的非線性誤差最小。選擇方法如下，確定測量溫度范圍(如0 50 )。找出在兩個極限溫度時熱敏電阻的阻值rmin(最高溫度時的阻值)及rmax(最低溫度時的阻值)，并找出中間溫度值rmid(即+25時的電阻阻值)；可用式2-4求出 （2-4）若選擇好所用的熱敏電阻， 可用實驗方法測出rmax、rmin及rmid的阻值(或用特性曲線中求得)。2.3.3 555定時器特點及芯片簡介555定時器是一種結構簡單，使用靈活、用途廣泛的單片集成電路。它