仓库温湿度的监测系统55556375.docx
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1、第二章 方案的的比较和和论证当将单片片机用作作测控系系统时,系系统总要要有被测测信号懂懂得输入入通道,由由计算机机拾取必必要的输输入信息息。对于于测量系系统而言言,如何何准确获获得被测测信号是是其核心心任务;而对测测控系统统来讲,对对被控对对象状态态的测试试和对控控制条件件的监察察也是不不可缺少少的环节节。传感器是是实现测测量与控控制的首首要环节节,是测测控系统统的关键键部件,如如果没有有传感器器对原始始被测信信号进行行准确可可靠的捕捕捉和转转换,一一切准确确的测量量和控制制都将无无法实现现。工业业生产过过程的自自动化测测量和控控制,几几乎主要要依靠各各种传感感器来检检测和控控制生产产过程中中
2、的各种种参量,使使设备和和系统正正常运行行在最佳佳状态,从从而保证证生产的的高效率率和高质质量。2. 11温度传传感器的的选择方案一:采用热热电阻温温度传感感器。热热电阻是是利用导导体的电电阻随温温度变化化的特性性制成的的测温元元件。现现应用较较多的有有铂、铜铜、镍等等热电阻阻。其主主要的特特点为精精度高、测测量范围围大、便便于远距距离测量量。铂的物理理、化学学性能极极稳定,耐耐氧化能能力强,易易提纯,复复制性好好,工业业性好,电电阻率较较高,因因此,铂铂电阻用用于工业业检测中中高精密密测温和和温度标标准。缺缺点是价价格贵,温温度系数数小,受受到磁场场影响大大,在还还原介质质中易被被玷污变变脆
3、。按按IECC标准测测温范围围-20006650,百度度电阻比比W(1100)=1.338500时,RR0为1100和100,其允许许的测量量误差AA级为(0.115+0.0022 |tt|),BB级为(0.33+0.0055 |tt|)。铜电阻的的温度系系数比铂铂电阻大大,价格格低,也也易于提提纯和加加工;但但其电阻阻率小,在在腐蚀性性介质中中使用稳稳定性差差。在工工业中用用于-5501180测温。 方案二二:采用用AD5590,它它的测温温范围在在-555+1550之间,而而且精度度高。M档在在测温范范围内非非线形误误差为0.3。ADD5900可以承承受444V正向向电压和和20VV反向电
4、电压,因因而器件件反接也也不会损损坏。使使用可靠靠。它只只需直流流电源就就能工作作,而且且,无需需进行线线性校正正,所以以使用也也非常方方便,借借口也很很简单。作作为电流流输出型型传感器器的一个个特点是是,和电电压输出出型相比比,它有有很强的的抗外界界干扰能能力。AAD5990的测测量信号号可远传传百余米米。综合合比较方方案一与与方案二二,方案二二更为适适合于本本设计系系统对于于温度传传感器的的选择。2. 22 湿度度传感器器的选择择测量空气气湿度的的方式很很多,其其原理是是根据某某种物质质从其周周围的空空气吸收收水分后后引起的的物理或或化学性性质的变变化,间间接地获获得该物物质的吸吸水量及及
5、周围空空气的湿湿度。电电容式、电阻式式和湿涨涨式湿敏敏原件分分别是根根据其高高分子材材料吸湿湿后的介介电常数数、电阻率率和体积积随之发发生变化化而进行行湿度测测量的。方案一:采用HHOS-2011湿敏传传感器。HHOS-2011湿敏传传感器为为高湿度度开关传传感器,它它的工作作电压为为交流11V以下下,频率率为500HZ1KHHZ,测测量湿度度范围为为01100%RH,工工作温度度范围为为0550,阻抗抗在755%RHH(255)时为为1M。这种种传感器器原是用用于开关关的传感感器,不不能在宽宽频带范范围内检检测湿度度,因此此,主要要用于判判断规定定值以上上或以下下的湿度度电平。然然而,这这种
6、传感感器只限限于一定定范围内内使用时时具有良良好的线线性,可可有效地地利用其其线性特特性。方案二:采用HSS11000/HHS11101湿湿度传感感器。HS111000/HSS11001电容容传感器器,在电电路构成成中等效效于一个个电容器器件,其其电容量量随着所所测空气气湿度的的增大而而增大。不不需校准准的完全全互换性性,高可可靠性和和长期稳稳定性,快快速响应应时间,专专利设计计的固态态聚合物物结构,由由顶端接接触(HHS11100)和和侧面接接触(HHS11101)两两种封装装产品,适适用于线线性电压压输出和和频率输输出两种种电路,适适宜于制制造流水水线上的的自动插插件和自自动装配配过程等等
7、。相对湿度度在1%-1000%RH范范围内;电容量量由166pF变变到2000pFF,其误误差不大大于2%RH;响应时时间小于于5S;温度系系数为00.044 pFF/。可见见精度是是较高的的。综合比较较方案一一与方案案二,方方案一虽虽然满足足精度及及测量湿湿度范围围的要求求,但其其只限于于一定范范围内使使用时具具有良好好的线性性,可有有效地利利用其线线性特性性。而且且还不具具备在本本设计系系统中对对温度-3050的要求求,因此此,我们们选择方方案二来来作为本本设计的的湿度传传感器。2. 33 信号号采集通通道的选选择在本设计计系统中中,温度度输入信信号为88路的模模拟信号号,这就就需要多多通
8、道结结构。方案一、采采用多路路并行模模拟量输输入通道道。这种结构构的模拟拟量通道道特点为为:(1) 可以根据据各输入入量测量量的饿要要求选择择不同性性能档次次的器件件。总体体成本可可以作得得较低。(2) 硬件复杂杂,故障障率高。(3) 软件简单单,各通通道可以以独立编编程。方案二、采采用多路路分时的的模拟量量输入通通道。 这这种结构构的模拟拟量通道道特点为为:(1) 对ADCC、S/H要求求高。(2) 处理速度度慢。(3) 硬件简单单,成本本低。(4) 软件比较较复杂。综合比较较方案一一与方案案二,方方案二更更为适合合于本设设计系统统对于模模拟量输输入的要要求,比比较其框框图,方方案二更更具备
9、硬硬件简单单的突出出优点,所所以选择择方案二二作为信信号的输输入通道道。图2-11多路并并行模拟拟量输入入通道图2-22多路分分时的模模拟量输输入通道道第三章 系统总总体设计计本设计是是基于单单片机对对数字信信号的高高敏感和和可控性性、温湿湿度传感感器可以以产生模模拟信号号,和AA/D模模拟数字字转换芯芯片的性性能,我我设计了了以80031基基本系统统为核心心的一套套检测系系统,其其中包括括A/DD转换、单单片机、复复位电路路、温度度检测、湿湿度检测测、键盘盘及显示示、报警警电路、系系统软件件等部分分的设计计。图3-11 系统统总体框框图 本设计计由信号号采集、信信号分析析和信号号处理三个个部
10、分组组成的。 (一) 信号采采集 由ADD5900、HSS11000及多多路开关关CD440511组成; (二) 信号分分析 由A/D转换换器MCC144433、单单片机880311基本系系统组成成; (三) 信号处处理 由串行行口LEED显示示器和报报警系统统等组成成。31 信号号采集311 温度传传感器集成温度度传感器器AD5590 是美国国模拟器器件公司司生产的的集成两两端感温温电流源源。一 主要特性性AD5990是电电流型温温度传感感器,通通过对电电流的测测量可得得到所需需要的温温度值。根根据特性性分挡,AAD5990的后后缀以II,J,KK,L,MM表示。AAD5990L,AAD59
11、90M一一般用于于精密温温度测量量电路,其其电路外外形如图图3-22所示,它它采用金金属壳33脚封装装,其中中1脚为为电源正正端V;2脚脚为电流流输出端端I0;3脚脚为管壳壳,一般般不用。集集成温度度传感器器的电路路符号如如图3-2所示示。图3-22 ADD5900外形(图图1)及及电路符符号(图图2)1、流过过器件的的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:IT/TT=1A /K式中:IIT流过过器件(AAD5990)的的电流,单单位A。T热热力学温温度,单单位K。 22、 AAD5990的测测温范围围-555- +1500。 3、 AD5590的的电源电电压范围围为4VV
12、-300V。电电源电压压可在44V-66V范围围变化,电电流IT变化11A,相相当于温温度变化化1K。AAD5990可以以承受444V正正向电压压和200V反向向电压,因因而器件件反接也也不会损损坏。4、输出出电阻为为7100M。5、精度度高。AAD5990共有有I、JJ、K、LL、M五五档,其其中M档档精度最最高,在在-555+1550范围内内,非线线形误差差0.33。2 ADD5900的工作作原理在被被测温度度一定时时,ADD5900相当于于一个恒恒流源,把把它和55300V的直直流电源源相连,并并在输出出端串接接一个11k的的恒值电电阻,那那么,此此电阻上上流过的的电流将将和被测测温度成
13、成正比,此此时电阻阻两端将将会有11mVK的电电压信号号。其基基本电路路如图33-3所所示。图3-33 ADD5900内部核核心电路路图33-3是是利用UBEE特性的的集成PPN结传传感器的的感温部部分核心心电路。其其中T11、T22起恒流流作用,可可用于使使左右两两支路的的集电极极电流II1和II2相等等;T33、T44是感温温用的晶晶体管,两两个管的的材质和和工艺完完全相同同,但TT3实质质上是由由n个晶晶体管并并联而成成,因而而其结面面积是TT4的nn倍。TT3和TT4的发发射结电电压UBBE3和和UBEE4经反反极性串串联后加加在电阻阻R上,所所以R上上端电压压为UUBE。因因此,电电
14、流I11为: I1UUBERR(KKTqq)(llnn)R对于AAD5990,nn8,这这样,电电路的总总电流将将与热力力学温度度T成正正比,将将此电流流引至负负载电阻阻RL上便可可得到与与T成正正比的输输出电压压。由于于利用了了恒流特特性,所所以输出出信号不不受电源源电压和和导线电电阻的影影响。图图3中的的电阻RR是在硅硅板上形形成的薄薄膜电阻阻,该电电阻已用用激光修修正了其其电阻值值,因而而在基准准温度下下可得到到1AAK的的I值。图3-44 ADD5900内部电电路图33-4所所示是AAD5990的内内部电路路,图中中的T11T44相当于于图3-3中的的T1、TT2,而而T9,TT11相
15、相当于图图3-3中中的T33、T44。R55、R66是薄膜膜工艺制制成的低低温度系系数电阻阻,供出出厂前调调整之用用。T77、T88,T110为对对称的WWilsson电电路,用用来提高高阻抗。TT5、TT12和和T100为启动动电路,其其中T55为恒定定偏置二二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路,同时也可使左右两支路对称。R1,R2为发射极反馈电阻,可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接防式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9,T10,T11三者的发射极电流相等,并同为整个电路总电流I的13。T9和T11的发射结面积比为8:1,T10和T11的发射结面积
16、相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上,因此可以写出:UBE(R62 R5)I3R6上只有T9的发射极电流,而R5上除了来自T10的发射极电流外,还有来自T11的发射极电流,所以R5上的压降是R5的23。根据上式不难看出,要想改变UBE,可以在调整R5后再调整R6,而增大R5的效果和减小R6是一样的,其结果都会使UBE减小,不过,改变R5对UBE的影响更为显著,因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调,修正R6以实现细调,最终使其在250之下使总电流I达到1AK。二 基基本应用用电路图3-88是ADD5900用于测测量热力力学温度度的基本本应用电电
17、路。因因为流过过AD5590的的电流与与热力学学温度成成正比,当当电阻RR1和电位位器R22的电阻阻之和为为1k时,输输出电压压V0随温度度的变化化为1mmV/KK。但由由于ADD5900的增益益有偏差差,电阻阻也有偏偏差,因因此应对对电路进进行调整整,调整整的方法法为:把把AD5590放放于冰水水混合物物中,调调整电位位器R22,使V0=2773.22+255=2998.22(mVV)。但但这样调调整只保保证在00或25附近有有较高的的精度。图3-55 AAD5990应用用电路三 摄摄氏温度度测量电电路如图3-5所示,电电位器RR2用于调调整零点点,R44用于调调整运放放LF3355的的增益
18、。调调整方法法如下:在0时调整整R2,使输输出V0=0,然然后在1100时调整整R4使V0=1000mVV。如此此反复调调整多次次,直至至0时,V0=0mmV,1100时V0=1000mVV为止。最最后在室室温下进进行校验验。例如如,若室室温为225,那么么V0应为225mVV。冰水水混合物物是0环境,沸沸水为1100环境。四.多路路检测信信号的实实现 本设计计系统为为八路的的温度信信号采集集,而MMC1444333仅为一一路输入入,故采采用CDD40551组成成多路分分时的模模拟量信信号采集集电路,其其硬件接接口如图图3-66所示图3-66八路分时时的模拟拟量信号号采集电电路硬件件接口3.
19、11. 22 湿度度传感器器测量空气气湿度的的方式很很多,其其原理是是根据某某种物质质从其周周围的空空气吸收收水分后后引起的的物理或或化学性性质的变变化,间间接地获获得该物物质的吸吸水量及及周围空空气的湿湿度。电电容式、电阻式式和湿涨涨式湿敏敏原件分分别是根根据其高高分子材材料吸湿湿后的介介电常数数、电阻率率和体积积随之发发生变化化而进行行湿度测测量的。下下面 介介绍HSS11000/HHS11101湿湿度传感感器及其其应用。一、特点点不需校准准的完全全互换性性,高可可靠性和和长期稳稳定性,快快速响应应时间,专专利设计计的固态态聚合物物结构,由由顶端接接触(HHS11100)和和侧面接接触(H
20、HS11101)两两种封装装产品,适适用于线线性电压压输出和和频率输输出两种种电路,适适宜于制制造流水水线上的的自动插插件和自自动装配配过程等等。图3-77a为湿湿敏电容容工作的的温、湿度范范围。图图3-7bb为湿度度-电容容响应曲曲线。图3-77a、湿湿敏电容容工作的的温、湿度范范围 图3-7b、湿度度-电容容响应曲曲线。相对湿度度在1%-1000%RH范范围内;电容量量由166pF变变到2000pFF,其误误差不大大于2%RH;响应时时间小于于5S;温度系系数为00.044 pFF/。可见见精度是是较高的的。二、湿度度测量电电路HS11100/HS111011电容传传感器,在在电路构构成中
21、等等效于一一个电容容器件,其其电容量量随着所所测空气气湿度的的增大而而增大。如如何将电电容的变变化量准准确地转转变为计计算机易易于接受受的信号号,常有有两种方方法:一一是将该该湿敏电电容置于于运方与与租蓉组组成的桥桥式振荡荡电路中中,所产产生的正正弦波电电压信号号经整流流、直流放放大、再A/D转换换为数字字信号;另一种种是将该该湿敏电电容置于于5555振荡电电路中,将将电容值值的变化化转为与与之成反反比的电电压频率率信号,可可直接被被计算机机所采集集频率输出出的5555测量量振荡电电路如图图3-77所示。集集成定时时器5555芯片片外接电电阻R44、R2与与湿敏电电容C,构构成了对对C的充充电
22、回路路。7端端通过芯芯片内部部的晶体体管对地地短路又又构成了了对C的的放电回回路,并并将引脚脚2、6端相相连引入入到片内内比较器器,便成成为一个个典型的的多谐振振荡器,即即方波发发生器。另另外,RR3 是是防止输输出短路路的保护护电阻,RR1 用用于平衡衡温度系系数。图3-77、频率率输出的的5555振荡电电路该振荡电电路两个个暂稳态态的交替替过程如如下:首首先电源源Vs通通过R44、R2 向C充充电,经经t充电电时间后后,Ucc达到芯芯片内比比较器的的高触发发电平,约约0.667Vss,此时时输出引引脚3端端由高电电平突降降为低电电平,然然后通过过R2放放电,经经t放电电时间后后,Ucc下降
23、到到比较器器的低触触发电平平,约00.333Vs此时输出出,此时时输出引引脚3端端又由低低电平突突降为高高电平,如如此翻来来覆去,形形成方波波输出。其其中,充充放电时时间为 t充充电=CC(R44+R22)Lnn2 t放放电=CCR2 Ln22因而,输输出的方方波频率率为f=1/(t放放电+tt充电)=1/ CC(R44+R22)Lnn2可见,空空气湿度度通过5555测测量电路路就转变变为与之之呈反比比的频率率信号,表表3-11给出了了其中的的一组典典型测试试值。表3-11、空气气湿度与与电压频频率的典典型值三、多路路检测信信号的实实现 本设计计系统为为八路的的湿度信号号采集,故故采用CCD4
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