基于WIA-PA的HSE系統節點(diǎn)設計

2．1 傳感器模塊
傳感器模塊負責采集環(huán)境參數，主要對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和綜合空氣質(zhì)量進(jìn)行采集。溫度傳感器采用ADT7301ARMZ，通過(guò)SPI與MCU通信；濕度傳感器和綜合空氣質(zhì)量傳感器分別采用HIH-4010-003和QS-01，均為模擬輸出，通過(guò)ADC輸入到MCU。以上傳感器的數據由MCU讀取后，再由MCU進(jìn)行數據的預處理。
ADT7301ARMZ是一款高度集成的高精度數字溫度傳感器芯片，提供全量程標定的數字輸出。該傳感器包含一個(gè)帶隙材料制成的溫度敏感元件、一個(gè)13位ADC轉換器和一個(gè)串行接口電路。串口電路兼容SPI、QSPI、MICROWIRE協(xié)議和DSPs，可以很方便地與其他微處理器／微控制器直接通信。傳感器工作溫度范圍為-40～155℃，轉換精度為±0．5℃。此外，ADT7301ARMZ也有著(zhù)較寬的工作電壓(2．7～5．5 V)，提供待機模式，待機模式下電流低至1μA，非常適合電池供電和低功耗工業(yè)測量應用。
HIH-4010-003濕度傳感器為內置信號處理單元、經(jīng)激光修正的熱固聚合物電容式感應元件，感應元件采用多層結構，使傳感器對大多數應用環(huán)境中的不利因素(如潮濕、多塵、臟污、油類(lèi)和普通化學(xué)環(huán)境)具備良好的抵抗性能。HIH-4010-003工作濕度為0％RH～100％RH；在典型工作電壓5 V下，工作電流僅為200μA，功耗低，典型響應時(shí)間為5 s，響應速度快；輸出接近線(xiàn)形，穩定而且漂移低。傳感器在標定數據的最佳擬合曲線(xiàn)下輸出精度為±3．5％RH。為了使得傳感器輸出模擬量能夠轉換為具有實(shí)際意義的物理量，同時(shí)還要獲得上述精度，需要進(jìn)行數據變換處理和溫度補償修正處理?？梢杂萌缦鹿?，將獲得的輸出值轉換為實(shí)際濕度值：
Sensor_RH=(R-Zero_offset)／θ
Real_RH=(Sensor_RH)／(1．054 6--0．002 16T)
式中，Sensor_RH為計算所得濕度值；Real_RH為實(shí)際空氣濕度值；R為輸出電壓值；Zero_offset為零點(diǎn)漂移；θ為輸出電壓隨濕度變化的斜率；T為溫度值。
HIH-4010-003的標定數據分別為：Zero_offset為0．958 V、θ為30．680 mV／％RH。
QS-01是一種二氧化錫半導體氣體傳感器，對氣態(tài)的空氣污染(如香煙、氨氣、酒精、硫化氫、一氧化碳、氫氣、VOCs等)有很高的靈敏度，響應時(shí)間快，功耗低。室內空氣污染存在許多潛在重要來(lái)源，大致有如下幾個(gè)：首先是燃燒附屬產(chǎn)物，主要指在采暖和烹飪過(guò)程中產(chǎn)生的附屬物，包括一氧化碳、硫化物以及各類(lèi)碳氫化合物；其次是各種揮發(fā)性有機物，主要來(lái)源于室內潮濕陰暗角落、空氣交換設備以及建材輔料等；最后就是各種煙草煙霧。由此可見(jiàn)，QS-01對于室內常見(jiàn)的各種污染源有著(zhù)很好的檢測覆蓋率，能夠有效地響應各種室內常見(jiàn)污染。

QS-01作為一款綜合空氣質(zhì)量傳感器，容易受到環(huán)境變化的影響，輸出電阻也很容易變動(dòng)，因此需要定期在潔凈大氣環(huán)境中進(jìn)行輸出電阻(RS)的“0”點(diǎn)更新。使用QS-01來(lái)表示傳感器感度的時(shí)候，通常對比“0”點(diǎn)和空氣污濁時(shí)輸出電阻(Rs)的變化率來(lái)表示，也就是說(shuō)，以檢測相對值來(lái)度量空氣質(zhì)量。同時(shí)，傳感器對溫濕度也有一定的依賴(lài)性，如圖3所示。我們以相對值來(lái)度量空氣質(zhì)量，前提是溫濕度等條件不變，所以當溫濕度變化落差大時(shí)，為了得到較為精確的結果，需要進(jìn)行一定的溫濕度補償計算。QS-01傳感器對于各種不同氣體敏感性也不一樣，如圖4所示。因此，在某些特殊場(chǎng)合(例如污染氣體比較單一)，可以選取不同擬合曲線(xiàn)來(lái)比較精確地獲取當前場(chǎng)合實(shí)際的空氣污染程度。

QS-01是以輸出電阻來(lái)顯示空氣污染程度的，但是直接讀取傳感器的輸出阻值(Rs)會(huì )比較困難，所以通常是讀取R(負載輸出電壓)，以電壓變動(dòng)來(lái)衡量空氣質(zhì)量：
Rs=(Vc÷R-1)×RL
式中，Rs為傳感器電阻值；Vc為供電電壓；RL為輸出負載；R為負載輸出電壓。