一种基于单片机的湿度传感器校准实验平台设计与实现*

陶佰睿，顾 丁，苗凤娟，张冬梅，刘文慧，彭立志

(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

在社会生活和产品生产过程中，测量仪表的工作状态都必须定期校验，以确保其性能稳定。特别是湿度传感器工作中常与空气中的灰尘或化学物质接触，受工作时间以及环境温度变化和机械振动等因素影响，会导致湿度传感器产生测量误差［1－3］。即使是新制作的湿度传感器，因工艺过程或材料参数等不能完全一致，为了提高传感器精度，在封装前也要求对其进行重新标定［3］。例如Sun等利用湿敏元件的电阻值、电容值变化的特性对湿度的测量方法实现了对HMP45D温湿度传感器校准［4］;Chen等采用温度对比法和干湿气混合方法研制出便携式温湿度一体校准仪［5］;Sun等采用软件通过温度补偿和线性化处理，能够实现相对湿度传感器THS110的校准［6］。而基于国家规范的湿度传感器校准仪器设备比较昂贵，且操作过程繁琐。以上湿度传感器校准设备还存在数据处理过程复杂，使用环境受限等缺点，其应用受到限制［7］。因此，如何设计一种精度高、成本低，便于携带，操作简单的湿度传感器校准平台对教学和科研意义重大。

1 湿度检测及湿度传感器校准

1.1 湿度传感器校准实验平台功能设计

湿度传感器校准实验平台主要包括标准湿度环境腔室和控制系统两部分。校准腔室四壁材质为不透明绝热泡沫板，其四壁通过安装导流风扇来强化腔室内空气流动均匀，风速控制在2.5 ms－1，同时通过对半导体制冷片和PTC陶瓷加热器实时控制来实现腔室内25℃恒温控制，其功能组成如图1所示。

图1 湿度传感器实验平台功能示意图

1.2 饱和盐溶液标准湿度环境构建

校准腔室内不同等级湿度环境通过七种金属盐的饱和溶液实现。25℃、1 atm条件下，不同饱和盐溶液构建腔室内空气标准湿度如表1所示［8－9］。该标准湿度环境通过Testo 635型高精度温度计7次测量后，相对湿度标准差不超过4%，表明该金属饱和盐溶液构建的不同等级标准湿度环境切实可行。

2 系统硬件电路设计

2.1 系统硬件功能设计

系统硬件电路主要由单片机控制电路、温度控制电路、温度传感器电路、I/O电路等组成，其功能框图如图2所示。

系统采用STC89C52单片机为核心控制单元，4×4矩阵键盘作为输入单元，12864液晶显示器作为当前腔室环境温度和湿度测量值显示输出单元。一路DS18B20数字温度传感器作为腔室环境温度测量，其测量值实时送单片机处理，通过单片机控制PTC陶瓷加热器和半导体制冷器工作，保持环境温度恒温在25℃。挑选性能参数一致的一对18B20数字温度传感器组装成干湿球温度计，作为系统相对湿度辅助测量装置，其温度差通过单片机内程序转换为相对湿度值输出［9－11］。

图2 系统硬件功能框图

2.2 温度检测电路设计

通过键盘预置环境温度参数为25℃，单片机通过中断或查询方式获取DS18B20传感器测量值，然后控制继电器启动半导体制冷器或PTC陶瓷加热器进行升温和降温。DS18B20温度采集电路连接如图3所示。

图3 温度采集电路

表1 金属盐饱和溶液标准湿度环境(@25℃，1 atm)

2.3 恒温控制电路设计

恒温控制模块包括:加热与降温电路、恒温系统电路、气体平衡电路。分别采用半导体制冷片和PTC陶瓷加热器来对校准腔室进行降温或升温;通过内壁的导流风扇可以使校准腔内的空气快速达到平衡［12］。半导体制冷片、PTC陶瓷加热器和风扇都采用直流12 V供电，继电器驱动，其电路连接如图4所示。

3 系统软件设计

系统软件工作主要流程包括五个步骤:系统初始化，显示输出，键盘扫描，温湿度检测和恒温控制［13］，主程序流程图如图5所示。

3.1 恒温控制程序子程序

恒温控制部分主要用于控制腔内的温度，当温度低于设定值时由PTC陶瓷加热器自动加热，使其升温到标准温度25℃，该程序采用分段模糊控制，可以通过判断当前环境温度与预置温度差值大小，采用对PTC陶瓷片施加不同电压和工作时间，使其快速达到平衡温度。当环境温度高于预置温度时，由制冷片自动制冷，降低腔内温度。其系统流程图如图6所示。

图4 继电器驱动电路

图5 软件设计总流程图

图6 恒温控制程序流程图

3.2 液晶显示子程序

主要用于显示当前温度传感器检测出的腔内温度、设定温度的值、湿度传感器、干湿球湿度计的示值、及在国标下不同温度下的湿度，最终显示相对误差。

3.3 温度检测子程序

使用DS18B20温度传感器进行实时检测温度、采集温度控制恒温装置以保持温度平衡。其系统流程图及其控制程序流程如图7所示。

图7 温度检测程序流程图

3.4 湿度检测子程序

使用通过DS18B20对管构建的干湿球温度计对腔室内湿度进行检测［14］，同时通过已知的饱和盐溶液等级作为参考。对拟校准湿度传感器，通过调理电路:例如对电容型模拟类湿度传感器件通过555振荡电路［15］，对电阻型模拟类湿度传感器件通过分压电路等转换，然后通过AD7705变换成数字信号进入单片机处理，最后给出实测值。对于数字型湿度传感器，可以直接通过标准等级的环境湿度进行校对。湿度检测子程序流程图如图8所示。

图8 湿度检测子程序流程图

4 系统调试

以市售DHT11型数字湿度传感器校准为例，其调试结果如表2所示。

表2 湿度传感器校准(RH%)

首先调节按键“F”显示在设定温度值一栏，通过键盘输入预设校准腔室温度为25℃，单片机开始控制风扇、PTC加热器或制冷器工作，当校准腔室内温度恒定后，分别放入7种金属盐饱和溶液，每次都等待系统稳定2 min后读出系统各参数值，校准时对DHT11温度计分别由低湿向高湿等级分别测量5次，以其平均值与校准腔室国标相对湿度值得相对误差作为校准依据［16］。

5 结论

上述基于单片机技术的湿度传感器校准试验平台，可以通过金属盐饱和溶液构建相对湿度11.3%～97.6%范围内7种等级标准湿度环境，各等级湿度环境相对标准差小于4%。对DHT11型数字湿度传感器实测后，可根据各等级测量值的相对误差对其进行定点校准。

总之，该湿度传感器实验校准装置具有成本低、操作便利、控制灵活、使用可靠和便于携带等优点，具有较强的现实使用价值。

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