基于C8051F020的露点测量系统的研究

闵振辉

基于C8051F020的露点测量系统的研究

闵振辉

煤矿空压机一类的压气设备往往需要对湿度进行测量，而露点可以很好的表明空气湿度。提出了一种以集成温、湿度传感器SHT75和C8051F020单片机为核心，结合液晶显示器、键盘和通讯芯片组成的露点测量系统，实现对不同场合的温度和湿度信号的测量和采集。

露点测量;湿度传感器;芯片间总线

一 引言

空气的湿度对于大量应用的压气设备、制冷设备和科学仪器有着明显的影响。为了保证这些设备安全、稳定的运行，必须对湿度进行可靠的监测，并为采取进一步措施提供依据。露点可以很好的表明当前空气的湿度情况，但由于以往的露点仪因测量时间、体积、元件以及对环境的要求等原因，不能很好的适应不同环境的需求。随着数字式集成温、湿度传感器的普遍应用以及单片机性能的不断提高，为低成本、高度适应性和进行较快速测量转换的露点测量系统的产生提供的有利条件。

二 系统硬件设计

1.SHT75温湿度传感器。

SHT75温湿度传感器采用Sensirio公司专利的CMOSen技术，将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、两线串行接口全部集成于一芯片内，其内部结构框图如图1所示。

图1 SHT75内部结构框图

其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、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。最后通过两线串行接口将相对湿度及温度的数据送至CPU，再利用CPU完成非线性补偿和温度补偿。

传感器的结构框图如图1，内部包括一个电容式聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，二者通过运算放大器与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。每个传感器芯片都通过精确标定得到校准系数，以程序形式存储在芯片本身的OTP内存中;两线制的串行接口与内部的电压调整使外围系统集成变得快速而简单。

SHT75温湿度传感器采用4针的单排引脚形式包装，传感器头部通过桥接方式实现于引脚的连接，以降低热传导及加速相应时间。其输入包括2.4～5.5V电源供电和串行时钟SCK输入，输出为数字式双向串行数据。

2.C8051F020微处理器。

为了提高测量速度，同时降低系统硬件的复杂程度，本系统采用C8051F020单片机作为微处理器。C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SOC(System on chip)，具有与MCS－51内核及指令集完全兼容的微控制器，除具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。正是由于其体积小、集成度高、功能多、配置容易、使用方便等特点，已被广泛应用于智能仪表、数据采集、自动化控制等领域。

选用C8051F020单片机作为微处理器，除了因为其集成了A/D转换器、D/A转换器、片内看门狗定时器和VDD监视器以外，最主要的是其采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12－24MHz。而对于C8051F系列单片机，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。大大提高了微处理器的处理速度。

3.系统硬件框图。

系统硬件框图如图2所示。整个系统包括数字温湿度传感器、单片机、LCD显示器、键盘以及通讯接口等部分组成。

图2 露点测量系统硬件框图

采用HD7279A作为键盘接口是为了减轻CPU的负担，提高露点间接测量的速度。LCMl2232A是图形点阵式液晶显示模块，用来实时显示当前的露点值，它的显示内容为7.5×2行，显示的位数足够本系统使用。通讯接口采用RS－485标准，以向上位机传输采集到的湿度信息，并接收上位机的指令。

三 系统软件设计

1.湿度测量基本过程。

由于采用二线串行接口，对于SHT75的操作按照严格时序，共有5条用户命令，分别是测量温度命令(03H)、测量湿度命令(05H)、读寄存器状态命令(07H)、写寄存器状态命令(06H)和软启动命令(IEH)。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。SHT75上电后进入休眠模式，首先应发送一个“启动”时序，唤醒芯片。即在SCK为高时使DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。微控器发出测量命令后就等待测量完成，为表明测量完成，SHT75将数据线拉成低电平。微控器重新启动SCK，SHT75就传送两字节的测量数据与一字节的CRC数据，传输数据的顺序是从最高位(MSB)到最低位(LSB)。微控器接收到每个字节后，必须将数据线拉成低电平，为每个字节产生应答信号ACK。CRC寄存器判定测量过程是否发生错误。一旦发现错误，微控器就发送软启动命令，重新进行测量。

2.露点的计算。

为了得到精度较高的露点值，必须对从SHT75所得到的相对湿度和温度信号进行预处理。

本设计中湿度为12位，故采用式(1)进行修正。

其中:RHL——线性修正值;

RH—— 侧量值。

温度补偿可以采用式(2)进行。

其中:RHT——为经过温度补偿后得到的湿度值;

t1=0.01;t2=0.00008

温度线性化补偿公式，如式(3)

露点的计算过程:

其中:为饱和水蒸气压强;DP为所求的露点。

程序采用C语言编写，有主程序、数据采集子程序、线性化子程序、温度补偿子程序、露点计算子程序、键盘子程序、显示子程序和通讯子程序组成。

四 结论

本系统具有电路简单、功耗低和转换速度较快等优点。非常适合应用于需要露点测量的压气系统中，也可以对工农业生产的其它领域。具有很好的应用前景。

1.Datasheet of SHT1x/SHT7x Humidity＆Temperature Sensor V2.02［EB］，http://www.dabeco.com.cn/de.htm，2004年7月

2.潘琢金孙德龙夏秀峰:C8051F单片及应用解析［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002年

3.BOB HARDY.The proceedings of the third international symposium on humidity＆moisture［C］.London:Teddington，1998:27－29

Research of Dew Point Measurement System Based on C8051F020

Min Zhenhui

It is required to measure the humidity of air for the operation of equipments like colliery air compressor.The humidity of air is indicated by dew point.The paper provides a measurement system which using SHT75，C8051F020，LCD，keyboard and communication IC to calculate dew point.The system supplied in the paper can measure the temperature and the humidity under many circumstances.

measurement of dew point;humidity sensor;inter IC bus

TD727+.1

A

1672－6758(2010)03－0059－2

闵振辉，在读硕士，讲师，黑龙江科技学院，黑龙江·哈尔滨。邮政编码:150027

Class No.:TD727+.1Document Mark:A

(责任编辑:张钦祥 蔡雪岚)