氧化鋁膜狀傳感式在線溫度儀的研制

摘要：介紹了采用89C52單片機(jī)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濕度儀。該儀器具有在線自動(dòng)檢測(cè)露點(diǎn)溫度、對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、歷史數(shù)據(jù)分析處理、LCD屏顯示以及與上位機(jī)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(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，具有可靠性高是、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：濕度測(cè)量 露點(diǎn) 在線濕度儀 單片機(jī) 傳感器 智能儀表

溫度測(cè)量在自動(dòng)化系統(tǒng)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(guó)內(nèi)外各種溫度低度大多數(shù)都是便攜式的，如電容式的、鏡面溫度儀、電解式溫度儀等等。而在線溫度儀的種類不是很多，這里介紹一種采用單片機(jī)技術(shù)研制出的氧化鋁膜狀溫度傳感式在線溫度儀。

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(hù)層、屏蔽層、活性電容、電極層和基底等構(gòu)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(duì)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(hù)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(cè)的主流傳感器，其主要優(yōu)點(diǎn)為：

（1）響應(yīng)快速，能準(zhǔn)確快速地反映對(duì)象濕度變化特性；

（2）濕度檢測(cè)范圍寬（0.5～50000ppmv），對(duì)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(nèi)進(jìn)行全程檢測(cè)。

2 測(cè)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(dá)到飽和而凝聚出來(lái)形成水時(shí)的溫度。在露點(diǎn)溫度下，汽車混合物中水分子進(jìn)入液相的速度相等，因此可以直接測(cè)量介質(zhì)的露點(diǎn)值。當(dāng)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(yīng)發(fā)生改變，通過(guò)電壓頻率轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)變化的頻率值，單片機(jī)系統(tǒng)將檢測(cè)到的頻率變化進(jìn)行一系列處理，就可將測(cè)量結(jié)果（露點(diǎn)值、體積比）直接送到LCD液晶屏顯示出來(lái)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。信號(hào)調(diào)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(diào)等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于微弱信號(hào)的精確放大。由于數(shù)字信號(hào)的傳輸對(duì)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(hào)只是一種時(shí)間量，處理頻率信號(hào)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(zhuǎn)換。VFC32具有抗干擾能力強(qiáng)、線性度高、信號(hào)幾乎無(wú)衰減等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)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(jī)等構(gòu)成。89C52內(nèi)部自帶8K字節(jié)閃速可編程、可電擦除的只讀EPROM，主控程序放其中，另外擴(kuò)展一片27C256存放系統(tǒng)字庫(kù)及表格等。此外，系統(tǒng)還設(shè)置了WDT“看門(mén)狗”（由MAX813L電壓監(jiān)控/監(jiān)視定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)）、軟件陷阱等，提供了系統(tǒng)抗干擾和故障自診斷的能力。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

氧化鋁探頭對(duì)氣體中水的蒸氣壓響應(yīng)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(shù)，通過(guò)對(duì)U和露點(diǎn)t(單位為℃)作圖，發(fā)現(xiàn)兩者呈指數(shù)關(guān)系：U=AeBt+C，A、B、C為特定氧化鋁探頭常數(shù)。對(duì)儀器標(biāo)定時(shí)，常用Y=aX+b分段直線擬合的方法來(lái)逼近非線性曲線。隨著探頭的使用，U與露點(diǎn)的曲線關(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（1）為用標(biāo)準(zhǔn)水份發(fā)生器標(biāo)定的曲線，曲線（2）為探頭原設(shè)置的響應(yīng)曲線。因此，必須對(duì)儀器進(jìn)行校正。根據(jù)標(biāo)定的數(shù)據(jù)來(lái)重新確定a、b值，從而得到新的正確擬合曲線。將該曲線分段直線擬合值存入SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通過(guò)對(duì)電參量進(jìn)行計(jì)算、查表、尋代正確的擬合直線段等一系列處理即可得到被測(cè)對(duì)象的露點(diǎn)值。在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)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(chǔ)器EPROM中，通過(guò)查表求解出t。

式中，P根據(jù)傳感器測(cè)量信號(hào)計(jì)算可得，再由P確定Pn、Pn-1，對(duì)應(yīng)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(biāo)

（1）V/F采樣間隔設(shè)定：利用軟件延時(shí)進(jìn)行采樣，滿足Shannon采樣定理，可以定時(shí)采樣和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

（2）與PC機(jī)通信：PC機(jī)能以中斷方式控制在線濕度儀的檢測(cè)，而在線濕度儀可將實(shí)時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)以中斷方式傳輸至PC機(jī)，具有歷史數(shù)據(jù)分析、趨勢(shì)圖繪制、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)打印輸出等功能。

（3）檢測(cè)：氧化鋁探頭檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理、濾波、V/F轉(zhuǎn)換、分頻、整形后的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理后將露點(diǎn)溫度、絕對(duì)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(cè)量精度：-60℃～+20℃以內(nèi)測(cè)量精度為±0.5℃；-80℃～-60℃以測(cè)量精度為±1℃；在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，重復(fù)性測(cè)量精度優(yōu)于±0.5℃

通信接口：RS-232串行口

顯示：內(nèi)置T6963C控制器型圖型液晶顯示器（240×128DOTS）

該儀器響應(yīng)快速，濕度檢測(cè)范圍寬，時(shí)效度化小，具有可靠性高、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，能在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。所編程序與測(cè)量電路及單片機(jī)系統(tǒng)緊密配合，可以方便地對(duì)氧化鋁膜狀濕度傳感器進(jìn)行線性化處理，同時(shí)也適于其它非標(biāo)準(zhǔn)傳感器，并可以使共線性化效果達(dá)到最優(yōu)。