氧化鋁膜狀傳感式在線(xiàn)溫度儀的研制

摘要：介紹了采用89C52單片機及其外圍接口芯片研制出的一種氧化鋁膜狀溫度傳感式在線(xiàn)濕度儀。該儀器具有在線(xiàn)自動(dòng)檢測露點(diǎn)溫度、對檢測數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、歷史數據分析處理、LCD屏顯示以及與上位機通信等功能。在軟、硬件上采取的抗干擾措施，使該儀器能在環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(chǎng)長(cháng)時(shí)間穩定運行，具有可靠性高是、精度高、重復性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：濕度測量 露點(diǎn) 在線(xiàn)濕度儀 單片機 傳感器 智能儀表

溫度測量在自動(dòng)化系統及其它許多高新技術(shù)領(lǐng)域中占有日益重要的地位。目前國內外各種溫度低度大多數都是便攜式的，如電容式的、鏡面溫度儀、電解式溫度儀等等。而在線(xiàn)溫度儀的種類(lèi)不是很多，這里介紹一種采用單片機技術(shù)研制出的氧化鋁膜狀溫度傳感式在線(xiàn)溫度儀。

1 氧化鋁膜狀濕度傳感器的特點(diǎn)

氧化鋁膜狀濕度傳感器主要由保護層、屏蔽層、活性電容、電極層和基底等構成。傳感器工作時(shí)，活性電容絕緣層的水氣與周期氣體平衡，屏蔽層主要使傳感器與外界隔絕，減少外界非濕度因素對傳感器的影響，保持層用以保證傳感器免受污染。氧化鋁膜狀濕度傳感器屏蔽層和保護層的滲透性良好，環(huán)境濕度的變化可以直接通過(guò)活性電容的變化反映出來(lái)。它是目前環(huán)境濕度及過(guò)程濕度檢測的主流傳感器，其主要優(yōu)點(diǎn)為：

（1）響應快速，能準確快速地反映對象濕度變化特性；

（2）濕度檢測范圍寬（0.5～50000ppmv），對環(huán)境溫度要求寬（-80℃～+20℃）；

（3）時(shí)效度化??；

（4）能在0～100%RH范圍內進(jìn)行全程檢測。

2 測量原理

實(shí)際工作中常以露點(diǎn)表示氣中含水量。所謂露點(diǎn)就是指在一個(gè)大氣壓下氣體中的水蒸氣達到飽和而凝聚出來(lái)形成水時(shí)的溫度。在露點(diǎn)溫度下，汽車(chē)混合物中水分子進(jìn)入液相的速度相等，因此可以直接測量介質(zhì)的露點(diǎn)值。當外界溫度發(fā)生改變時(shí)，氧化鋁溫度傳感器探頭的輸出阻抗隨之改變，其輸出電壓也相應發(fā)生改變，通過(guò)電壓頻率轉換器得到相應變化的頻率值，單片機系統將檢測到的頻率變化進(jìn)行一系列處理，就可將測量結果（露點(diǎn)值、體積比）直接送到LCD液晶屏顯示出來(lái)。

3 系統硬件設計

系統構成如圖1所示。信號調理主要采用OP07放大器，它具有超低漂移、高精度、高共模抑制比和低失調等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于微弱信號的精確放大。由于數字信號的傳輸對環(huán)境要求較高，很容易被外來(lái)的電磁干擾所“淹沒(méi)”，而頻率信號只是一種時(shí)間量，處理頻率信號只與時(shí)間量有關(guān)，因此選用電壓頻率變換器VFC32作A/D轉換。VFC32具有抗干擾能力強、線(xiàn)性度高、信號幾乎無(wú)衰減等優(yōu)點(diǎn)。單片機測控系統主要串行通信接口MAX232以及分頻器、LCD顯示器、薄膜鍵盤(pán)片和89C52單片機等構成。89C52內部自帶8K字節閃速可編程、可電擦除的只讀EPROM，主控程序放其中，另外擴展一片27C256存放系統字庫及表格等。此外，系統還設置了WDT“看門(mén)狗”（由MAX813L電壓監控/監視定時(shí)器來(lái)實(shí)現）、軟件陷阱等，提供了系統抗干擾和故障自診斷的能力。

4 系統軟件設計

氧化鋁探頭對氣體中水的蒸氣壓響應值以電參量U（單位為伏特）表示，而露點(diǎn)又是水的蒸氣壓的函數，通過(guò)對U和露點(diǎn)t(單位為℃)作圖，發(fā)現兩者呈指數關(guān)系：U=AeBt+C，A、B、C為特定氧化鋁探頭常數。對儀器標定時(shí)，常用Y=aX+b分段直線(xiàn)擬合的方法來(lái)逼近非線(xiàn)性曲線(xiàn)。隨著(zhù)探頭的使用，U與露點(diǎn)的曲線(xiàn)關(guān)系發(fā)生變化，因而a、b值也發(fā)生改變。圖2給出了探頭隨使用時(shí)間而發(fā)生變化的情況。其中，曲線(xiàn)（1）為用標準水份發(fā)生器標定的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)（2）為探頭原設置的響應曲線(xiàn)。因此，必須對儀器進(jìn)行校正。根據標定的數據來(lái)重新確定a、b值，從而得到新的正確擬合曲線(xiàn)。將該曲線(xiàn)分段直線(xiàn)擬合值存入SRAM數據存儲器中，單片機進(jìn)行測試時(shí)，通過(guò)對電參量進(jìn)行計算、查表、尋代正確的擬合直線(xiàn)段等一系列處理即可得到被測對象的露點(diǎn)值。在實(shí)際的程序設計中，由于體積比P與露點(diǎn)t之間關(guān)系已知，可按一定的形式排列存入程序存儲器EPROM中，通過(guò)查表求解出t。

式中，P根據傳感器測量信號計算可得，再由P確定Pn、Pn-1，對應的tn、tn-1通過(guò)查表可得到，這樣由式（1）即可求出露點(diǎn)值t。程序流程圖如圖3所示。

5 技術(shù)說(shuō)明及關(guān)鍵性能指標

（1）V/F采樣間隔設定：利用軟件延時(shí)進(jìn)行采樣，滿(mǎn)足Shannon采樣定理，可以定時(shí)采樣和儲存數據。

（2）與PC機通信：PC機能以中斷方式控制在線(xiàn)濕度儀的檢測，而在線(xiàn)濕度儀可將實(shí)時(shí)測得的各種數據以中斷方式傳輸至PC機，具有歷史數據分析、趨勢圖繪制、儲存數據打印輸出等功能。

（3）檢測：氧化鋁探頭檢測到的信號經(jīng)過(guò)調理、濾波、V/F轉換、分頻、整形后的數據送至單片機系統，單片機經(jīng)過(guò)處理后將露點(diǎn)溫度、絕對濕度通過(guò)LCD屏顯示出來(lái)。

電源：AC220V±10V；50Hz

范圍：露點(diǎn)為-80℃～+20℃；濕度為-10℃～+40℃

測量精度：-60℃～+20℃以?xún)葴y量精度為±0.5℃；-80℃～-60℃以測量精度為±1℃；在整個(gè)測量范圍內，重復性測量精度優(yōu)于±0.5℃

通信接口：RS-232串行口

顯示：內置T6963C控制器型圖型液晶顯示器（240×128DOTS）

該儀器響應快速，濕度檢測范圍寬，時(shí)效度化小，具有可靠性高、精度高、重復性好等優(yōu)點(diǎn)，能在環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(chǎng)長(cháng)時(shí)間穩定運行。所編程序與測量電路及單片機系統緊密配合，可以方便地對氧化鋁膜狀濕度傳感器進(jìn)行線(xiàn)性化處理，同時(shí)也適于其它非標準傳感器，并可以使共線(xiàn)性化效果達到最優(yōu)。