基于单片机结合温湿度传感器的露天矿山监测试验

摘要：为满足对露天矿山温湿度的实时监测需求，以聚酰亚胺薄膜为原料，制备了一种温湿度传感器用复合薄膜，并基于该薄膜分别制备了温度传感器和湿度传感器。结合AVR单片机与所设计的温湿度传感器，设计实现了露天矿山监测系统。试验结果表明，所设计的温度传感器具有良好的线性和灵敏度，最大非线性误差2.5%，相关因子为0.998，灵敏度为0.002 0℃，平均响应时间为50 s；所设计的湿度传感器具有良好的线性和灵敏度，且响应时间较快，平均响应时间为40 s，满足设计需求；所设计的露天矿山监测系统可实现远程露天矿山温湿度监测，具有响应速度快和体积小、功耗低的特点。

关键词：温度传感器；湿度传感器；露天矿山；监测系统；单片机

中图分类号：TQ323.7文献标识码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0125-04

Research on open-pit mine monitoring system basedon single-chip microcontroller combined withtemperature and humidity sensors

GENG Hao，JIN Haijun，OUYANG Dongzhe

（GuonengBeidianShengli Energy Co.，Ltd.，Xilinhot 026000，Inner Mongolia China）

Abstract：To meet the real-time monitoring requirements for temperature and humidity in open-pit mines，a com⁃posite film for temperature and humidity sensors was prepared using polyimide film as raw material，and a tempera⁃ture sensor and a humidity sensor were prepared based on the film.Combined with the AVR microcontroller and the designed temperature and humidity sensor，the open-pit mine monitoring system was designed and realized.Theex⁃perimental results showed that the designed temperature sensor had good linearity and sensitivity，with a maximum nonlinear error of 2.5%，a correlation factor of 0.998，a sensitivity of 0.002 0℃，and an average response time of 50 seconds.The designed humidity sensor had good linearity and sensitivity，and the response time was fast，with an average response time of 40 seconds，meeting the design requirements.The designed open-pit mine monitoring sys⁃tem can achieve remote temperature and humidity monitoring in open-pit mines，with the characteristics of fast re⁃sponse speed，small size，and low power consumption.

Key words：temperature sensor；humidity sensor；open pit mines；monitoring system；singlechip microcontroller

露天矿山温湿度传感器是测量露天矿山温湿度水平的基础设备，目前，矿山监测系统中常采用DHT系列温湿度传感器采集矿山的温湿度，并结合STM32单片机，实现矿山温湿度环境的实时监测，并可将温湿度值以数值形式显示在手机端上[1]。集合DHT8X数字式温湿度传感器和LabVIEW开发平台，研制了一套温湿度传感器数据采集器，可用于矿山温湿度监测[2]。以聚乙烯醇为原材料，设计了一种表面等离子体共振的光纤光栅温湿度传感器，灵敏度达到0.020 3 nm/℃和-0.99 nm/%RH[3]。基于此，研究通过综合分析DHT系列传感器和光纤光栅传感器，发现以上两类传感器分别在灵敏度和响应时间方面存在一定的局限性。因此，为解决上述问题，以聚酰亚胺薄膜为原料，制备了一种温、湿度传感器用复合薄膜，并基于该薄膜分别制备了温度传感器和湿度传感器。最后，结合AVR单片机与所设计的温湿度传感器，设计了露天矿山监测系统，为实现露天矿山温湿度实时监测奠定了基础。

1材料与方法

1.1材料与设备

试验材料主要包括聚酰亚胺薄膜（厚度50μm，常丰新材料）、氨水（分析纯，九诚化工科技）、丙酮（分析纯，鼎诚化工）、双氧水（分析纯，集萃环保科技）、无水乙醇（分析纯，飞鸿新材料）、氢氧化钾（分析纯，英盛化学品）、去离子水（电阻率18.5 MΩ·cm，铭锋生物科技）、银氨溶液（分析纯，创赛科技）。

试验设备主要包括KQ-250DE数控超声波清洗器（南北仪器）、HWS226恒温水浴锅（明博环保科技）、AL204电子天平（标卓科学仪器）、RH2305霍尔效应测试系统（英铂科学仪器（上海））、JKZ1型探空仪检测箱（东方化玻（北京））、TH2817A数字电桥仪（江大仪器）、Temptronic高低温环境测试系统（弗士达科学仪器）。

1.2试验方法

1.2.1复合薄膜制备

将聚酰亚胺薄膜依次通过丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗8 min后烘干放入氢氧化钾溶液中，并在室温条件下浸泡3 h[4]。然后使用去离子水清洗干净后自然晾干，并置于银氨溶液中浸泡8 min后，使用去离子水冲洗干净后晾干，并使用双氧水进行还原，得到银与聚酰亚胺复合薄膜[5-6]。

1.2.2温度传感器制备

将制备得到的复合薄膜在自然条件下晾干，并平铺于白纸上，并根据CAD软件绘制的蛇形图案进行掩膜打印。最后，在聚酰亚胺薄膜的另一面使用粘胶剂将其与叉指结构平面电极粘接在一起进行封装，并送入烘干箱中，以90℃的温度干燥30 min，即可得到温度传感器[7]。

1.2.3湿度传感器制备

将制备得到的复合薄膜在自然条件下晾干，并平铺于白纸上，并根据CAD软件绘制图1的图案进行掩膜打印。最后，在聚酰亚胺薄膜的另一面使用粘胶剂将其与叉指结构平面电极粘接在一起进行封装，并送入烘干箱中，以90℃的温度干燥30 min，即可得到湿度传感器。湿度传感器掩膜图案如图1所示。

2结果与分析

2.1复合薄膜测试

2.1.1氢氧化钾处理时间的影响

氢氧化钾处理时间不同，银的电阻率也不同[8]。为分析氢氧化钾处理时间对所制备的复合薄膜导电性能的影响，研究设置了不同氢氧化钾处理时间，并分析了复合薄膜的电阻率，结果如图2所示。

由图2可知，电阻率随氢氧化钾处理时间先缓慢下降后快速下降再缓慢下降；当处理时间为3 h时，复合薄膜的电阻率接近饱和。因此，本次实验设置氢氧化钾的处理时间为3 h。

2.1.2银氨溶液处理时间的影响

图3为不同银氨溶液处理时间对所设计复合薄膜的影响。

由图3可知，随着银氨溶液处理时间的延长，复合薄膜的电阻率快速降低后，于8 min处达到平稳[9-10]。因此，本次实验设置银氨溶液的处理时间为8 min。

2.1.3双氧水处理时间的影响

图4为双氧水处理时间对复合薄膜电学性能的影响。

由图4可知，随着双氧水处理时间的延长，所设计的复合薄膜电阻率快速下降，并于30 min处达到平稳状态[11-12]。因此，本次试验设置双氧水的处理时间为30 min。

2.2温度传感器测试

2.2.1温度测试范围确定

设定温度为-50℃到200℃之间，并将所设计的温度传感器置于温度范围内使用电桥仪进行测量，结果如图5所示。

由图5可知，所设计的传感器在温度-25℃到175℃时可随温度变化而变化。因此，可确定所设计的温度传感器可测定的温度为[-25℃，175℃]，满足日常露天矿山温度测量。

2.2.2响应时间

图6为所设计的温度传感器从26℃室温环境放入60℃和120℃环境中，然后迅速降温到26℃室温条件中电阻的变化结果。

由图6可知，温度从26℃升高到60、120℃，响应时间分别为85、34 s；温度从60、120℃下降到26℃，响应时间分别为34、50 s。由此说明，所设计的温度传感器在温度测试范围内，具有较快的响应速度[20]。

2.3湿度传感器测试

2.3.1灵敏度测试

图7为不同湿度条件下，所设计的湿度传感器灵敏度。

由图7可知，在低湿度条件下，传感器灵敏度较低，为5.54 pF/（%RH），在高湿度条件下，传感器的灵敏度较高，达到144.26 pF/（%RH）。

2.3.2吸湿和脱温时间

图8为所设计的传感器从低湿度向高湿度变化的响应时间（吸湿时间）和高湿度向低湿度变化的响应时间（脱湿时间）。

由图8可知，高湿度条件下，吸湿时间大于脱湿时间；而低湿度条件下，吸湿时间小于脱湿时间。分析其原因，在高湿度条件下，所设计的传感器的复合薄膜水分子以物理吸附为主，因此脱湿时间降低；而低湿度条件下，所设计的传感器复合薄膜水分子以化学吸附为主，导致脱湿时间延长。根据测试结果可知，所设计的湿度传感器响应时间满足设计需求。

3结语

（1）氢氧化钾处理时间对温湿度传感器复合薄膜的导电性能具有一定影响，当氢氧化钾处理时间为3 h时，得到的温湿度传感器导电性能最好；

（2）银氨溶液处理时间对温湿度传感器复合薄膜导电性能有一定影响，当银氨溶液处理时间为8 min时，温湿度传感器的复合薄膜导电性能最高；

（3）双氧水处理时间对温湿度传感器复合薄膜导电性能有一定影响，当双氧水处理时间为30 min时，温湿度传感器的复合薄膜导电性能最高；

（4）所设计的温度传感器测定温度为-25℃至175℃，且具有良好的线性度，最大非线性误差为2.5%，相关因子为0.998；

（5）所设计的温度传感器具有良好的灵敏度和较快的响应时间，灵敏度为0.002 0℃，平均响应时间为50 s；

（6）所设计的湿度传感器具有一定的线性度、灵敏度，以及长期的稳定性，且响应时间较快，平均响应时间为40 s。

【参考文献】

[1]付文新，王洪丰.基于STM32单片机和DHT11温湿度传感器的温湿度采集系统的设计与实现[J].光源与照明，2022（3）：119-121.

[2]霍海林，李雪松，赵金洋，等.基于LabVIEW的DHT8X型数字式温湿度传感器数据采集器的研制[J].计量科学与技术，2022，66（7）：7-12.

[3]邓喆，刘卓瑶，孟凡策，等.基于表面等离子体共振的光纤光栅温湿度传感器[J].量子光学学报，2023，29（3）：79-87.

[4]刘卓瑶，常建华，倪海彬，等.基于表面等离子体共振效应的单模光纤高灵敏度温湿度传感器[J].中国激光，2023，50（14）：193-201.

[5]张敏，方健，王勇，等.基于ZigBee无线通信的变电站端子箱温湿度传感器系统设计[J].制造业自动化，2023，45（2）：169-174.

[6]张加宏，朱涵，顾芳，等.非色散红外CO2气体传感器的抗温湿度干扰设计[J].电子测量与仪器学报，2022，36（7）：160-169.

[7]霍海林，李雪松，赵金洋，等.基于LabVIEW的DHT8X型数字式温湿度传感器数据采集器的研制[J].计量科学与技术，2022，66（7）：7-12.

[8]杨婷.基于聚酰亚胺金属图形化的柔性湿度/温度/压力传感器研究[D].上海：华东师范大学，2015.

[9]赵婷婷，周昭亮，李哲毓，等.矿用本安型温度传感器测量系统的校准方法[J].工业计量，2023，33（S1）：24-28.

[10]吕振杰，庞雅文，杨伸勇，等.氧化铂、钛过渡层对铂薄膜温度传感器性能的影响[J].传感器与微系统，2023，42（10）：9-12.

[11]高晓丹，刘岚，姚敏，等.薄膜干涉型光纤温度传感器的偏振特性[J].传感器与微系统，2023，42（10）：13-16.

[12]杨景铄，彭慧玲.基于PDMS/MWCNTs的柔性温度传感器[J].传感器与微系统，2023，42（10）：91-94.

[13]沈华志，朱加良，陈宇，等.快速反应高精度温度传感器的设计[J].自动化仪表，2023，44（S1）：285-288.

[14]李卓玥，董晨龙，向美琼，等.基于珐珀的全光纤式温度传感器研究[J].自动化仪表，2023，44（S1）：329-332.

[15]项晓禹，孙鹏，刘伟涛，等.用于耳内体温监测的柔性温度传感器[J].微纳电子技术，2023，60（9）：1429-1435.

[16]许童杰，刘振华，蒋秀丽，等.不锈钢管封装短周期光纤光栅温度传感器特性及仿真分析[J].微纳电子技术，2023，60（9）：1457-1463.

[17]王庆灼，刘家伟，夏江，等.一种数字温度传感器板卡的设计及验证[J].电子质量，2023（8）：97-102.

[18]王璐.融合多传感器数据的空气细颗粒物自动监测技术优化[J].粘接，2023，50（10）：189-192.

[19]张琦.环氧树脂胶封的光纤传感器功能优化与变压器温度测量技术[J].粘接，2023，50（9）：155-158.

[20]魏勇，潘昊亮.基于AVR单片机的矿用救生舱远程温湿度监测系统开发[J].机械制造与自动化，2017，46（6）：213-215

（责任编辑：平海，苏幔）