基于4～20mA输出的温湿度传感器设计

任勇峰，朱泽珲，贾兴中

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051）

现代工业和自动化领域中，温度和湿度的测量与采集都是非常重要的。温湿度信号的测量结果都需要转换成模拟量信号才能传输到几百米外的测试设备或者采集设备上，与传送电压调制信号的方式相比，4～20 mA 电流环具有很强的抗干扰能力[1]，并且信号的传输距离长，且不需考虑噪声干扰、线长、压降和线路阻抗等影响[2]，极大地提高了电路的传输性能。该设计采用C8051F410 单片机驱动控制SHT15 芯片测量温湿度，并通过搭建V/I 转换电路实现高精度的4～20 mA 电流输出，完成测量。

1 电路组成

温湿度传感器硬件电路由SHT15 接口电路、C8051F410 单片机外围控制电路、V/I 转换电路组成，如图1 所示。C8051F410 单片机控制SHT15 测量温湿度并将温湿度信号的数字量通过IDAC 功能转换成微小电流量[3]，通过接地电阻转换成理想的电压值，再通过V/I 转换电路输出4～20 mA 的电流信号。

图1 电路组成

2 电路设计

2.1 SHT15接口电路设计

SHT15 传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[4]。它包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙性测温元件[5]，并与一个14 位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接。因此，这款芯片具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[6]。

SHT15 与C8051F410 单片机的接口电路如图2所示，SHT15 和单片机之间的通信采用串行二线接口DATA 和SCK 实现[6]，其中DATA 为数据线，SCK 为时钟线，分别与单片机的P0.2、P0.3 的I/O 口连接。DATA 数据传输为三态门，为保证信号传输和数据读取稳定，DATA 和SCK 均需要接入一个外部上拉电阻（一般为10 kΩ电阻）。同时VCC 和GND 之间也可添加一个0.1 μF 的电容，用于去耦滤波。

图2 SHT15接口电路原理图

2.2 C8051F410单片机外围控制电路设计

C8051F410 单片机是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。内部最大时钟频率最高可达24.5 MHz，片上资源丰富，能最大限度地减少外围电路，提高系统的集成度和抗干扰功能[7]。

C8051F410 单片机使用3.3 V 电压供电，包含两路12 位电流输出DAC（P0.0 和P0.1），IDAC 的最大输出电流可以有4 种不同的设置：0.25 mA、0.5 mA、1.0 mA、2.0 mA。用IDAC 寄存器（IDA0CN 和IDAC1CN）中的对应位来分别使能或者禁止IDAC 功能。同时IDAC 的满量度输出电流由IDAnOMD 位（IDAnCN[1:0]）选择。具体配置方法见表1。

表1 IDAC满量度输出电流与IDAnOMD位设置

根据设计要求，设置满量度输出电流为2 mA，程序设计为：

图3 C8051F410单片机外围控制电路

C8051F410 单片机的P0.2 口和P0.3 口与SHT15的DATA 数据线和SCK 时钟线相连，SCK 为SHT15和单片机提供同步时钟，DATA 数据线进行数据的双向传输，需要注意的是，I2C 协议与该二线串行通信协议是不兼容的。所以在程序开始时，单片机需要按照SHT15 芯片的启动传输时序来启动数据传输，启动传输时序见图4。它包括当SCK 时钟为高电平时，DATA 翻转为低电平，紧接着SCK 变为低电平，随后是在SCK 时钟为高电平时，DATA 翻转为高电平。

图4 SHT15启动传输时序

SHT15 测得的温湿度是以数字量的形式转换为温湿度值的，并且湿度的数字量转换到湿度值是非线性的，若直接利用湿度的数字量进行DA 转换，必然会导致湿度测量的线性度比较差。为改善温湿度信号测量与最后4～20 mA 电流输出的线性度，同时为将温湿度数值转换成后续可以处理的模拟量。将具体的温湿度值线性映射到进行DA 转换的数字量[8]，映射关系见图5，温度映射关系同理。

图5 湿度值与DA转换数字量映射关系

温湿度值映射的数字量范围可以根据设计要求测量的温湿度范围进行映射，由于最后传感器输出的是4～20 mA 的电流信号，故映射的数字量下限应该大于0x000。若映射的数字量从0x000 开始，则需要后端电路加上适当的偏置电压去抬高V/I 转换电路前的电压值，使得电路的设计较为繁琐，故该设计不采用这种方法。

从温湿度量到DA 转换数字量直接进行线性映射，保证了温湿度信号测量具有良好的线性度和稳定性。该设计中，电流满量度输出设置为2 mA，通过IDAC 功能转换的模拟电流量根据映射的数字量范围来确定，例如，映射的数字量范围是400～3 400，则转换出的电流量范围0.195～1.661 mA。P0.0 和P0.1 端口输出的电流值通过对地电阻R22和R11转换成适当的电压值，以便进行下一步的V/I 转换。

2.3 V/I转换电路设计

为了将电压信号转换成4～20 mA 的电流信号，且需要保证电流信号的输出与负载无关。初步设计了如图6 所示的V/I 转换电路。

图6 初步设计的V/I转换电路

在该电路的设计应用中，使用了两路运算放大器，U2运放做电压跟随器，起阻抗变换的作用[9]；U1运放为一个同相加法器。对运算放大器有以下要求：必须具有较小的输入失调电压和输入偏置电流，减少运放自身参数对电路平衡性和对称性的影响[10]。要求不高的场合，运放可以选用通用运算放大器LM358，要求高的场合可以选用高精度、低噪声的OPA228。

电路原理可做如下简单推导：

令K=R5/R8=R12/R13，若选用运算放大器的输入失调电压和输入偏置电流足够小，达到微伏或者微安级。按照理想运算放大器推算，满足U1+=U1-。

其自由度为1，保证了小曲拐的正常运动，从小曲拐四杆机构可以看出3个小曲拐的运动规律一致，且与偏心主轴的运动一致，使得动盘公转运动而不发生自转，因此满足涡旋压缩机防自转的要求。

则整理化简得：

可见，输出电流与外接负载电阻无关，只与输入电压、V/I 转换电阻R20以及电阻阻值之比K有关。在给定的电路中，R20与K值恒定，若输入电压不变，可实现恒流输出。

为增强电路的输出电流驱动能力，电路设计中加入了一个NPN 三极管，改进的电路见图7。利用NPN 三极管实现了扩流的作用，增强电流的输出能力[11]。并通过Multisim13.0 软件仿真可知，三极管不仅增强了电流的驱动能力，并且由于基极电流较小，减少了对运算放大器负载电流能力的要求，同时承担了主要的电压压降[12-13]。D2 为肖特基整流二极管，在对电路进行保护的同时，也能提高电流的传输性能。

图7 改进的I/V转换电路

因此在选用三极管时，不仅要满足功率电压等要求，更要考察三极管的驱动电流能力。小电流可使用S8050，电流可以达到1.5 A；大电流可使用TIP41，电流可达到6 A。

利用上述电路，根据自己的使用需求，选择适当的电阻配比值K，可将单片机外围电路输出的电压转换成4～20 mA 电流输出。输出电流不受外接负载影响的特点，也为电流信号进行后续的转换与采集提供了高精度的保证。

3 试验分析与测试

在完成硬件电路设计和软件程序编写后，为验证和测试温湿度传感器的测量精度，使用OMEGA 公司的热电偶温度校准仪（测温精度可达0.5 ℃）和瑞士罗卓尼克标准温湿度探头（测湿精度可达1.0%RH）分别对温湿度传感器的温度和湿度测量进行试验测试分析和数据处理。

将温湿度传感器和热电偶温度校准仪感应探头同时置于高低温箱中，改变高低温箱中的温度[14]，并在温度稳定后记录校准仪显示温度和温湿度传感器测温端输出电流，测量结果见表2。

表2 温度标定测量结果

对测量的数据作最小二乘法直线拟合，结果见图8。

图8 温度值与输出电流拟合直线

由拟合直线求解到非线性度为0.41%，非线性度小于1%，满足设计要求。再由输出电流值根据拟合直线公式反推温度测量值，考察温度测量的实际值和测量值之间的误差，反映温度测量精度[15]，结果见表3。

表3 温度测量精度分析

由数据分析结果，在温度测量范围-40～40 ℃中，传感器的温度测量与电流输出不仅有着良好的线性关系，而且同热电偶温度校准仪相比，测量精度不超过0.5 ℃。

在温湿度快速变化试验箱中对传感器进行湿度测量[16]。通过标准温湿度探头测量当前湿度，并在湿度环境稳定后记录当前湿度值和温湿度传感器的测湿端输出电流。测量结果见表4。

表4 湿度标定测量结果

对测量的数据作最小二乘法直线拟合，结果见图9。

图9 湿度值与输出电流拟合直线

由拟合直线求解到非线性度为0.75%，非线性度小于1%，满足设计要求。再由输出电流值根据拟合直线公式反推湿度测量值，考察湿度测量的实际值和测量值之间的误差，反映湿度测量精度，结果见表5。

表5 湿度测量精度分析

由数据分析结果可知，在湿度测量范围0～100%RH中，传感器的湿度测量与电流输出不仅有着良好的线性关系，而且同标准温湿度探头相比，传感器测湿的测量精度不超过±0.721%RH。

4 结束语

文中设计的温湿度传感器测试电路，以C8051F410 单片机和SHT15 敏感芯片为核心，根据传感器自身的设计测量范围和性能要求，通过程序设计和改进型V/I 转换电路的搭建，为传感器测量信号远距离传输提供了可选方案，并且有效地改善了SHT15 芯片自身湿度测量的非线性，提高了测量精度。最后通过试验测试验证了该设计是合理可行的，可以用于精度较高场合下的测量。