摘? 要: 介紹了采用89C52單片機及其外圍接口芯片研制出的一種氧化鋁膜狀濕度傳感式在線濕度儀。該儀器具有在線自動檢測露點濕度、對檢測數據進行實時采集、歷史數據分析處理、LCD屏顯示以及與上位機通信等功能。在軟、硬件上采取的抗干擾措施,使該儀器能在環境惡劣的工業現場長時間穩定運行,具有可靠性高、精度高、重復性好等優點。
關鍵詞: 濕度測量? 露點? 在線濕度儀? 單片機? 傳感器? 智能儀表
?
濕度測量在自動化系統及其它許多高新技術領域中占有日益重要的地位。目前國內外各種濕度儀大多數都是便攜式的,如電容式的、鏡面濕度儀、電解式濕度儀等等。而在線濕度儀的種類不是很多,這里介紹一種采用單片機技術研制出的氧化鋁膜狀濕度傳感式在線濕度儀。
1 氧化鋁膜狀濕度傳感器的特點
氧化鋁膜狀濕度傳感器主要由保護層、屏蔽層、活性電容、電極層和基底等構成。傳感器工作時,活性電容絕緣層的水氣與周圍氣體平衡,屏蔽層主要使傳感器與外界隔絕,減少外界非濕度因素對傳感器的影響,保護層用以保證傳感器免受污染。氧化鋁膜狀濕度傳感器屏蔽層和保護層的滲透性良好,環境濕度的變化可以直接通過活性電容的變化反映出來。它是目前環境濕度及過程濕度檢測的主流傳感器,其主要優點為:
(1)響應快速,能準確快速地反映對象濕度變化特性;
(2)濕度檢測范圍寬(0.5～50000ppmv),對環境溫度要求寬(-80°C～+20°C);
(3)時效度化小;
(4)能在0～100%RH范圍內進行全程檢測。
2 測量原理
實際工作中常以露點表示氣中含水量。所謂露點就是指在一個大氣壓下氣體中的水蒸氣達到飽和而凝聚出來形成水時的溫度。在露點溫度下,汽水混合物中水分子進入液相的速度相等,因此可以直接測量介質的露點值。當外界濕度發生改變時,氧化鋁濕度傳感器探頭的輸出阻抗隨之改變,其輸出電壓也相應發生改變,通過電壓頻率轉換器得到相應變化的頻率值,單片機系統將檢測到的頻率變化進行一系列處理,就可將測量結果(露點值、體積比)直接送到LCD液晶屏顯示出來。
3 系統硬件設計
系統構成如圖1所示。信號調理主要采用OP07放大器,它具有超低漂移、高精度、高共模抑制比和低失調等優點,特別適宜于微弱信號的精確放大。由于數字信號的傳輸對環境要求較高,很容易被外來的電磁干擾所“淹沒”,而頻率信號只是一種時間量,處理頻率信號只與時間量有關,因此選用電壓頻率變換器VFC32作A/D轉換。VFC32具有抗干擾能力強、線性度高、信號幾乎無衰減等優點。單片機測控系統主要由掉電信息不丟失的數據存儲器SRAM MK48Z02/12、串行通信接口MAX232以及分頻器、LCD顯示器、薄膜鍵盤片和89C52單片機等構成。89C52內部自帶8K字節閃速可編程、可電擦除的只讀EPROM,主控程序存放其中,另外擴展一片27C256存放系統字庫及表格等。此外,系統還設置了WDT“看門狗”(由MAX813L 電壓監控/監視定時器來實現)、軟件陷阱等,提高了系統抗干擾和故障自診斷的能力。
?
4 系統軟件設計
氧化鋁探頭對氣體中水的蒸氣壓響應值以電參量U(單位為伏特)表示,而露點又是水的蒸氣壓的函數,通過對U和露點t(單位為°C)作圖,發現兩者呈指數關系:U=AeBt+C,A、B、C為特定氧化鋁探頭常數。對儀器標定時,常用Y=aX+b分段直線擬合的方法來逼近非線性曲線。隨著探頭的使用,U與露點的曲線關系發生變化,因而a、b值也發生改變。圖2給出了探頭隨使用時間而發生變化的情況。其中,曲線(1)為用標準水份發生器標定的曲線,曲線(2)為探頭原設置的響應曲線。因此,必須對儀器進行校正。根據標定的數據來重新確定a、b值,從而得到新的正確擬合曲線。
?
?
將該曲線分段直線擬合值存入SRAM數據存儲器中,單片機進行測試時,通過對電參量進行計算、查表、尋找正確的擬合直線段等一系列處理即可得到被測對象的露點值。在實際的程序設計中,由于體積比P與露點t之間關系已知,可按一定的形式排列存入程序存儲器EPROM中,通過查表求解出t。
式中,P根據傳感器測量信號計算可得,再由P確定Pn、Pn-1,對應的tn、tn-1通過查表可得到,這樣由式(1)即可求出露點值t。程序流程圖如圖3所示。
?
5?技術說明及關鍵性能指標
(1)V/F采樣間隔設定:利用軟件延時進行采樣,滿足Shannon采樣定理,可以定時采樣和儲存數據。
(2)與PC機通信:PC機能以中斷方式控制在線
濕度儀的檢測,而在線濕度儀可將實時測得的各種數據以中斷方式傳輸至PC機,具有歷史數據分析、趨勢圖繪制、儲存數據打印輸出等功能。
(3)檢測:氧化鋁探頭將檢測到的信號經過調理、濾波、V/F轉換、分頻、整形后的數據送至單片機系統,單片機經過處理后將露點溫度、絕對濕度通過LCD屏顯示出來。
電源:AC220V±10V;50Hz
范圍:露點為-80°C～+20°C;溫度為-10°C～+40°C
測量精度:-60°C~+20°C以內測量精度為±0.5℃;
-80°C～-60°C以內測量精度為±1°C；在整個測量范圍內,重復性測量精度優于±0.5°C
??? 通信接口:RS-232串行口
顯示:內置T6963C控制器型圖形液晶顯示器(240×128DOTS)
該儀器響應快速,濕度檢測范圍寬,時效度化小,具有可靠性高、精度高、重復性好等優點,能在環境惡劣的工業現場長時間穩定運行。所編程序與測量電路及單片機系統緊密配合,可以方便地對氧化鋁膜狀濕度傳感器進行線性化處理,同時也適于其它非標準傳感器,并可以使其線性化效果達到最優。
?
參考文獻
1 李英干,范金鵬. 濕度測量.北京:氣象出版社,1990
2 吳興惠,王彩君.傳感器與信號處理.北京:電子工業出版社,1998
3 李 華.MCS-51系列單片機實用接口技術.北京:北京航空航天大學出版社,1993
4 李維提,郭 強.液晶顯示應用技術. 北京:電子工業出版社,200 0