温湿度测量仪的多通道测量及低通滤波

刘惠惠

（安徽财经大学 电子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

温湿度测量仪的多通道测量及低通滤波

刘惠惠

（安徽财经大学 电子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

介绍一种温湿度测量仪的多通达测量方法及低通滤波的实现，由多路温度、湿度传感器对关键温度点进行测量，用单片机对各路数据进行循环检测、存储，实现温、湿度的智能测量.可长周期数据自动记录；空间温度场、湿度场测量；精度高；成本低.

Pt100；HIH-4000；单片机；温度；湿度

1 总体设计方案

系统以单片机为控制核心，通过多路温度、湿度传感器对关键温湿度点进行测量，并由单片机系统对各路数据进行循环采集、存储.在系统中，温湿度传感器系统的输出信号，经多路模拟开关实现通道选择，通过低通滤波器消除信号中的一些高频噪声，经A/DC进行模数转换，由单片机控制实现分时数据采集与处理，并将数据定时存储，可实时传送到计算机.所采用的主要器件有：单片机、温度传感器、湿度传感器、高精度A/D转换器、数据存储器、模拟开关、高精度集成运算放大器等等.系统总体框图如图1所示.

图1 系统总体框图

2 数据采集电路设计

2.1 温湿度测量

温度传感器选用常用的WZP系列Pt100铂热电阻，稳定，耐氧化，在相当宽的温度范围内有相当好的稳定性和极好的复现性能，成本低.

要实现温度与电压的转换需使用不平衡电桥.并根据温度传感器测量电桥输出的信号需要放大增益大概在70～90倍左右，所以选择可变增益的差分放大电路设计方案.系统的放大电路及滤波电路采用高精度集成运放OP07做放大元件.

通常在湿度测量中用的干湿球法，需要两个温度传感器分别检测干球温度和湿球温度，对比温度差值求得湿度[1].不能够灵活的检测湿度值.而由于成本控制的原因，在设计中采用HIH-4000系列的湿度传感器，测量精度在±3.5% RH，芯片内具有信号处理功能，该传感器输出线性电压，易于信号处理和误差校正.

2.2 测量通道扩展及低通滤波电路的设计

2.2.1 多通道测量电路

对于测量系统要实现多通道测量，通常有两种方法：一种是选用多通道模拟开关扩展输入通道，另一种选用带有多路模拟输入通道的A/DC[5].设计选用的是多通道模拟开关来扩展输入通道.模拟开关的主要用途是把多路模拟信号逐个、分时地送入A/DC中，实现一个A/DC对多路模拟量的转换.

模拟开关选用CD4051（8选一），它由电平转换电路、译码电路和开关电路组成.其中，电平转换电路可以完成CMOS到TTL逻辑电平的转换功能，因此输入电平范围宽，数字量信号电平幅度为3～15V，模拟信号的峰-峰值可达15V.地址译码具有禁止功能，可根据CPU给出的地址信号，方便地选择其输入通道，从而使输入输出相连通.其电路如图2所示.

图2 测量通道扩展电路

采用 CD4051的双极性输入方式，VDD=5V,VEE=-5V, VSS=0V，就能开关-5V～5V之间的模拟信号.

C、B、A为通道地址线，当CBA=000B～111B时，可选择通道X0～X7.

INH为禁止控制端，当INH=1时，所有通道均被断开；当INH=0时，根据CBA的值允许选择一个通道.使用该控制端还可以实现多通道的扩展.

2.2.2 二阶低通滤波电路

传感器的输出信号，经过放大后，有一部分的较高频率的噪声会被放大，加上元器件、导线、电源、电子线路以及外界环境等噪声的干扰，输出波形会发生变化.此时，可以根据系统的特性设置一个低通滤波电路.一般系统要求在较稳定的环境下工作，系统的扫描频率一般在0.1HZ～7HZ.此滤波电路的截止频率为7HZ，通带增益为1.具体电路如图3所示.

其传递函数为

令s=jw,可得

此滤波器，确切地称为KRC滤波器，采用等值元件设计法来确定其参数[2].

令R1=R2，C1=C2=C，又因K=1，则上述各式可以得到设计方程为

先确定容易获得的电容值2.2uF,在根据式（7）可以求得

在实际设计中，电阻，电容设计值，往往和标准系列值不一致，元件参数相对设计值误差不超过2%可以满足设计要求.所以选取R1=R2=10KΩ.

图3 二阶低通滤波电路

2.3 A/D转换

系统选用可高精度，低噪声，低漂移，低功耗、低价格的12位双积分式A/D转换器ICL7109.其输出数据为12位二进制数，配有较强的接口功能，可以较方便的连接各种微处理器[2].

图4是ICL7109与单片机接口设计.它采用±5V双电源供电，MODE端接地，使其工作在直接输出工作方式.将RUN/HOLD接单片机的P1.0口，由单片机控制A/DC工作，将STATUS线与单片机的INT0外部中断口相连，每完成一次转换，向单片机发送一次中断请求.P2.0、P2.1分别与高字节使能端HBEN、低字节使能端LBEN相连，当P2.0为低电平，P2.1为高电平时，读取ICL7109的高字节，当P2.1为低电平，P2.0为高电平时，读取ICL7109的低字节.由于采用3.5MHZ的晶振，故完成一次A/D转换所需要的时间为T=8192(脉冲周期)58/3.58MHZ=132.72ms,即转换速率为7.5次/s.

其中的自动调零电容CAZ的选择可以这样考虑，当VIN较小时，例如VIN=0～409.6mV，这时抑制噪声是主要的，CAZ可选为比CINT大1倍，以减小噪声.CAZ越大，噪声越小.例如，CINT为0.3uF时，CAZ选0.5uF.当VIN=0～4.096V，这时噪声的影响不是主要的，可以把积分电容CINT选大一些以减小复零误差，使CINT=2CAZ.例如图中CINT=0.33uF，CAZ=0.15uF.基准电容一般可以取1uF较好.

图4 A/D转换电路

2.4 单片机系统电路及串口通信

本系统采用的AT89C52型单片机，由于需要扩展键盘控制和显示功能，89C52单片机需要扩展I/O口，选用通用的可编程并行I/O接口芯片8255A.

数据存储选用容量为8KB的SRAM6264,以实现定时存储功能.

由于6264在掉电后数据丢失.设计时，需加一个掉电保护电路.

系统通过PC的一个COM口与串口调试软件通讯，将采集的数据传入计算机，对温湿度数据进行曲线分析来实现温湿度控制装置发送指令采集和控制.系统采用RS232通讯协议，串行通讯电路电平转换芯片选用MAX232.

3 软件设计

软件采用Keil C编程调试，程序中的A/D采集子程序加了软件滤波的设计，采用算术平均值滤波法，使A/DC对每个通道的模拟量采样8次，求算术平均值，以次来消除噪声的干扰.经过反复的运行、调试，修改最后形成了一套完整的程序系统，其中包括：A/D采集子程序、信号处理子程序、定时存储子程序、串行通讯子程序.

〔1〕强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,2004.

〔2〕许爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1995.

〔3〕赛尔吉欧·佛朗哥编著,刘树棠,朱茂林,荣玫.基于运算放大器和模拟集成电路地电路设计（第三版）[M].西安:西安交通大学出版社,2004.

〔4〕沙占友,孟志永,王彦明,等.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2006.

TP216+.1

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1673-260X（2013）11-0030-02