基于实践能力提升的温湿度传感器设计*

王升升

（吉林工业职业技术学院，吉林 吉林 132013）

2015年5月，国务院办公厅印发《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，明确提出了健全创新创业教育课程体系、改革教学方法和考核方式、强化创新创业实践等具体措施。高职院校主要培养高等技术技能型人才，尤其是工科类高职专业更加强调学生的实践能力。基于此，笔者以高职院校现有实训室为基础，着手设计一款4 mA~20 mA输出的温湿度传感器，通过其设计过程培养学生实践能力。

1 设计思路

在现代化工自动化控制系统中，检测系统是化工自动化控制系统的眼睛和触觉，其中温度检测和湿度检测所采集的数据都是非常重要的检测信息。在实际的现场检测中温度与湿度的测量信号是数字信号，需要把数字信号转化成模拟信号才能进行传感器的远距离传输。在模拟信号传输中分为电压传输和电流传输，与电压传输相比，4 mA~20 mA的电流环具有较强的抗干扰能力，传输的距离比电压的传输距离长，同时对压降、线路阻抗、外界噪声等干扰可以不需考虑，极大地提高了传感器的传输性能。此次设计是基于模拟电流信号4 mA~20 mA的温湿度传感器设计，以C8051F410单片机为核心控制器，控制SHT15芯片对温湿度进行测量，最后通过转换电路把电压转换成电流，输出为4 mA~20 mA电流信号[1]。

2 电路组成

温湿传感器的硬件电路由接口电路SHT15、C8051F410控制电路、V/I转换电路组成电路，如图1所示。其控制核心单片机C8051F410控制接口电路测量外界参数温湿度，将外界温湿度信号通过IDAC功能，将其数字量转化成模拟电流量。主要将电路中的电阻通过公式转换成相对应的电压值，最后通过转换电路把电压转换成电流，输出为4 mA~20 mA电流信号[2]。

图1 电路组成

3 硬件电路设计

3.1 SHT15接口电路设计

SHT15是一种温湿度复合传感器，其主要特点是输出数字信号的信号已经过校准。该类型传感器主要由测温型能隙性元件和电容式聚合体测湿元件组成，外部电路上一个串行接口和14位的数字/模拟转换器进行连接，同时与一个芯片进行无缝连接。电路与芯片连接的目的是提高其响应速度[3]，增加其抗干扰能力。

C8051F410单片机与湿度复合传感器SHT15接口电路如图2所示，两者之间的通信使用串行二线接口，分别使用DATA和SCK实现。DATA主要功能是与单片机P0.2的I/O口连接为数据线。SCK主要功能是与单片机P0.3的I/O口连接为时钟线。硬件连接中DATA为数据传输，主要是三态门。DATA数据线和SCK时钟线外部接入一个一般为10 kΩ电阻，主要目的是为了保证信号传输和数据读取稳定。去耦滤波可考虑使用0.1 μF的电容，在硬件连接电路中焊接在VCC和GND之间。

图2 SHT15接口电路原理图

3.2 C8051F410单片机外围控制电路设计

C8051F410单片机时钟频率最高可达24.5 MHz，是一种功能强大且集成低功耗混合信号片。其功能丰富，管脚多，内部功能可以替代外部硬件，简化外部的硬件连接，同时可以提高硬件集成度。

C8051F410型号核心控制器其硬件功能如下：供电方式为3.3 V电压，其中电流输出DAC分别为P0.0和P0.1两路12位电流输出[4]；IDAC设置输出电流，其中最大输出电流可以设置4种，分别为0.25 mA、0.5 mA、1.0 mA、2.0 mA。在IDAC寄存器中有使能或者禁止功能，对应的功能区分别是IDAOCN和IDAC1CN。IDAnOMD位对IDAC中的电流输出有控制作用，具体设置方法如表1所示。

表1 IDAC满量度输出电流与IDAnOMD位设置

在试验过程中，调整电路输出电流，数值为2 mA，在软件中进行编写程序如下：

通过以上程序，可以通过C8051F410单片机控制电路外围输出电流为2.0 mA，具体单片机外围控制电路如图3所示。

图3 C8051F410单片机外围控制电路

C8051F410单片机的接口P0.2和P0.3与温湿度复合传感器SHT15具有数据传输的双向性DATA数据线和SCK时钟线相连[5]，此时C8051F410上的二线串行通信协议与I2C协议是不能相互通信的。软件程序开始运行，软件单片机中的启动时序与硬件的启动时序要一致，才能进行工作，具体的传输方法如图4所示。具体的工作方式为：当SCK时钟为高电平，通过DATA改变为低电平时，SCK也将变为低电平；当SCK高电平时，DATA也为高电平[6]。

图4 SHT15启动传输时序

温湿度复合传感器SHT15传输量为数字量，需要转化成4 mA~20 mA模拟量，但转换时是非线性，如果直接进行数字量与模拟量转换[7]，会导致输出的模拟量数值的线性度较差。为了保障SHT15温湿度复合传感器检测后输出模拟量信号的线性度，对检测后的温湿度具体数值映射到数字/模拟转换中，具体的转换映射关系如图5所示。

图5 湿度值与DA转换数字量映射关系

由于数字量传输的温湿度值需要进行映射，其数字量的范围可以根据实际检测范围进行映射，最后SHT15测量温湿度输出的范围是4 mA~20 mA电流信号，如果温湿度映射值的数字量从Ox000开始，就需要比较复杂的外围电路设计，主要是在后端电路增加电压电流转换前的电压值，由于该设计烦琐，故不采用。

综上分析，单片机外围控制电路设计中电流最大输出2 mA，其输出范围的确定是采用IDAC功能将模拟电流量与数字量映射一一对应确定的。硬件电路设计中需有端口输出电流，使用单片机P0.0和P0.1端口，同时应考虑下一步中的电压、电流转换电路，所以在单片机中的电路中加入电阻R22和R11，主要目的是把电流值转换成电压值。

3.3 V/I转换电路设计

V/I转换电路主要目的是把电压转换成标准的4 mA~20 mA电流信号，同时保证电流信号输出与负载无关。通过前期设计了V/I转换电路，如图6所示。

图6 初步设计的V/I转换电路

在图6的电路设计中，使用了U1和U2两路运算放大器，U1运算放大器主要作用是同相加法器，U2运算放大器主要作用是电压跟随器，起到阻抗变换作用[8]。上图电路中的原理可以做如下推导：

公式（1）~（3）中，令K=R5/R8=R12/R13，改变外部条件，输入电压、电流取值趋近于零，则U1和U2运算放大器按照理想情况计算。

则上述公式（1）~（3）可以简化得：

通过上面公式推导可以得出以下结论，输出电流与输入端的电压、电阻R20、电阻阻值比K、V/I转换电路有关，与外接电阻无关。通过保持电阻R20与电阻阻值比K不变，保持输入电压恒值，可以保证输出电流恒定。

在满足以上的恒流条件下，需要在输出电路中安装NPN三极管，其目的是加强输出电流的驱动能力，改进电路如图7所示。在实物验证前通过Multisin13.0软件进行仿真，最后的仿真结果如下：通过在电路中安装NPN三极管可以加强输出电流的驱动能力，由于NPN三极管中基极电流较小，同时负载电流也会变小。图7中的D2为整流二极管，主要作用为保护与提高电流流通能力[9]。

图7 改进的I/V转换电路

4 测试与分析

通过软件与硬件的设计后，需要对所设计的温湿度传感器进行性能测试，通过使用标准温湿度探头（精度1.0% RH）、仪器热电偶温度计（精度0.5 ℃）对设计的温湿度传感器中的湿度、温度分别进行测试与分析。

测试温度精度时将温湿度传感器与标准热电偶放置在同一个温度源中，通过改变温度源中温度高低，在一段时间温度稳定后记录标准仪表与温湿度传感器中测温端输出电流，标定结果如表2所示。同时对测量结果做最小二乘法拟合，结果如图8所示。

图8 温度值与输出电流拟合直线

表2 温度标定结果

通过图8中输出电流的拟合直线计算得出其非线性的度0.41%，满足性能要求。通过输出电流等相关要素反推温度，与温度实际值进行对比计算出其误差值，可以反映温度测量的精确度，结果如表3所示。

表3 温度测量精度分析

从表3的数据分析可以得出：检测温度范围-40℃～40 ℃时，测量值与输出值为线性关系，测量精度为±0.5 ℃。

测试湿度精度时用标准仪表与温湿度传感器测量当前环境湿度，在一段时间湿度稳定后记录标准仪表与温湿度传感器中测量湿度端输出值，测量结果如表4所示，对测量的湿度结果进行拟合，如图9所示。

图9 湿度值与输出电流拟合直线

表4 湿度标定结果

上图中拟合直线非线性的度经过计算为0.75%，能够满足设计指标。通过拟合直线公式反推湿度测量值的误差情况，结果如表5所示。

从表5数据分析可以得出：湿度测量范围0~100% RH时，传感器湿度测量精度为±0.721%RH，并且其测量信号与输出电流呈线性关系。

表5 湿度测量精度分析

5 结论

在学生实践中利用温湿度传感器设计，与教师实时指导相结合，不仅学生在实践中能够获得较好的理论收获，同时也提高了学生的实践能力，对于现有的学生创新创业具有较大的借鉴作用[10]。