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摘要：设计一款数字化智能干湿球，以弥补市场对温湿度检测仪的高性能高精密度的要求。系统拟选择STM8S105为主控芯片,选择精密度高的热敏电阻作为监测探头。探测电路采集温湿度数据经ＡＤ转换后再经过修正计算处理，在后继电路上实时显示和存储干球、湿球温度以及相对湿度数据，通过报警电路可实现分等级报警。设计中将高敏感系数的传感器探测电路和数据修正优化作为研发核心。此课题开发的样机检测量范围广、误差小、价格低廉使用方便等优势。而且还具备实时温度和湿度数据动态显示、动态记录以及超湿分等级报警等功能。
关键词：STM8S105 AD590K ULN2803
1.引言
设计一款数字化智能干湿球，以弥补市场对温湿度检测仪的高性能高精密度的要求。系统拟选择STM8S105为主控芯片,选择精密度高的热敏电阻作为监测探头。探测电路采集温湿度数据经ＡＤ转换后再经过修正计算处理，在后继电路上实时显示和存储干球、湿球温度以及相对湿度数据，通过报警电路可实现分等级报警。设计中将高敏感系数的传感器探测电路和数据修正优化作为研发核心。
图1 机械结构图
2.干湿球法测量分析
2.1干湿球法测湿原理
干湿球湿度计由两支相同的温度计组成:一支称为干球温度计,暴露在空气中,用以测量环境温度,示值用ta表示;另一支为湿球温度计,其温泡用湿球纱布套包裹,并与盛有纯水的容器相连。由于水蒸发需要吸收热量,从而使湿球的温度下降,因此,湿球温度计的示值用tw表示。通常把干球温度ta与湿球温度tw之差称为干湿差。干湿球法测湿的关键是获得准确的干、湿球温度,然后借助干湿球方程换算出湿度值。干湿球测温的公式为:
U=eh-APΔtet× 100 (1)
式中:U为相对湿度;eh为湿度温度下的饱和水气压,Pa;et为干球温度下的饱和水气压,Pa;A为测湿系数;P为大气压力,Pa;Δt=(ta-tw)为干湿差,℃。通过对Goff-Grattch方程求逆的方法来求饱和水气压非常困难,因此,通常用饱和水气压的简化公式计算。而简化公式很多,一般采用以下经验公式:
E= 611.139exp[X(T- 273.16)/(T-Y+ZT 2)](2)
式中:E为饱和水气压,Pa;T为热力学温度,K;X、Y、Z为经验系数,在温度为0～ 100℃范围内,水平时,其值为X=19.802、Y=17.885、Z= 2.311× 10- 4。
3.电路原理分析
3.1.温度数据采集
由于AD590K体积较小，便于实现小型化，因此传感探头选择了Pt电阻AD590K。电路中铂电阻R21、R22采集传感探头，通过点DQ1和DQ2连到单片机15,16脚，采集的温度数据送入单片机。R21、R22分别检测干球和湿球的温度，通过采集的温度数据经单片机计算出相对应的湿度。R19为R21的分压电阻。 通过测DQ1电压来测算R21热敏电阻的阻值变化，从而得出热敏电阻R21测量的温度值，即干球的温度值。
C15为滤波电容，提高测量精密度。同理R20为R22的分压电阻， 通过测DQ1电压来测算R21热敏电阻的阻值变化，从而得出热敏电阻R22测量的温度值，即湿球的温度值。C16为滤波电容，提高测量精密度。C11和C12分别为两个滤波电容，提高电源的稳定性。
图2 数据采集如主控图
3.2报警电路
LS1为扬声器，用于超温报警，三极管9013用于增强STM8S105的驱动能力，电阻R17为限流电阻，当单片机的PD0即JDQ脚输出高电平时，蜂鸣器发声，电容C7为其电源滤波电容。当湿度超过设定值时，单片机STM8S105通过JDQ脚输出高电平，此时三极管9013导通，为扬声器LS 1发声，实现报警功能。
3.3 风速采集
风速采集模块选用FC-3C风速传感器。该传感器功耗低、可以长期连续工作、有很强的抗电磁干扰功能;并且安装方便,其输入电压为12VDC;信号输出选择4～ 20mA的电流信号,风速测量范围为0～ 5m/s,其响应时间小于2s,测量精度为± 0.5%,启动风速小于0.7m/s,在温度为- 20～ 85℃、湿度为10%～ 95%范围内均能正常工作,风17叶旋转直径为100mm,满足系统需求。风速采集模块电路如图3所示。
图3 风速采集电路图
3.4核心电路
本设计单片机选用STM8S105。该芯片工作于-45～85℃ ,内部有一个8通道多路转换的全差分24位模/数转换器,具有在片校准功能;两个独立的抽取滤波器可被编程到1ｋＨｚ的采样率;可以使用内部的2.5Ｖ电压基准,也可以用差分外部基准进行比率测量,且可以内部校准;另外STM8S105有三个比较器可以产生16位的ＰＷＭ,满足系统设计功能。
具体电路见图图所示。C19为电源滤波电容，P1为按键接口模块，电容C13和C14组成电源滤波电路。D1、R18、电容C1,组成复位电路，通过借口P3接入单片机STM8S105的1和26号脚。晶振X1、电容C1以及电容C2组成单片机STM8S105的时钟电路，接入单片机STM8S105的2和3号脚,即OSCIN和OSCOUT端口相连。电容C3、C4均为滤波电容，提高电路的稳定性。
图4：数据采集及主控电路
3.5 显示及按键微调电路
芯片ULN2803为驱动芯片，由于单片机STM8S105IO口的驱动电流不够，所以需要这个芯片来增强驱动能力，通过IN1~IN8与单片机STM8S105的IO口24~17号引脚相连。OUT1~OUT7分别与4位数码管、发光二极管以及调试按键相连，用于拉高电流。按键S1~S5的按键信号分别经11~14，以及8脚送入单片机。74LS595为数码管译码模块，单片机采集的数据经PD2（21号）引脚SER送入74LS595，编译后送入4个4位的数码管显示。发光二极管用于工作状态的显示，按键为用户操作按键。两个74LS595译码模块的RCLK和 SRCLK分别都与单片机的PD3和PD4即28合9脚相连。S1-s5的开关分别对应于控制面板上的5个调整开关。按键的主要功能具体见图6控制面板。
图6 控制面板
4.总结
本发明设计一款数字化智能干湿球，以弥补市场对温湿度检测仪的高性能高精密度的要求。系统拟选择STM8S105为主控芯片,选择精密度高的热敏电阻作为监测探头。探测电路采集温湿度数据经ＡＤ转换后再经过修正计算处理，在后继电路上实时显示和存储干球、湿球温度以及相对湿度数据，通过报警电路可实现分等级报警，以微处理器为基础配合智能型干、湿温传感器把待测的物理量转换成相应的数字信号，然后经本仪表微处理器经过计算处理后进行相应的显示和智能控制。
5.参考文献
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[5]李靖.3种湿度传感器的应用电路[J].电子报,2011.
论文作者:王为,黄睿,,徐仁云
论文发表刊物:《科技中国》2017年2期
论文发表时间:2017/5/2
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