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應用于數據采集監控系統的溫濕度變送器的開發
發布時間：2017-09-01
1變送器工作原理
總線式溫濕度變送器原理如圖1所示。變送器由主電路及接口電路兩部分構成。接口電路上電工作,而主電路僅在該變送器被訪問時才上電工作。總線為供電電源、下傳地址巡檢信號及上傳溫濕度信號所復用。其中電源為15~30V直流電壓;下傳信號為電壓負脈沖,其中0.5ms寬用于尋址,5ms寬用于復位;上傳信號為占空比及周期復合調制的10mA電流脈沖信號。專用采集器為嵌入單片機的智能設備,通過發出下傳信號選通各變送器:當發出5ms寬的復位信號時選通第一個變送器,當發出0.5ms寬尋址信號時選通下一變送器。由于變送器地址不同,故實際只有一個變送器主電路工作。當一個變送器被選通后,總線上電壓穩定下來,變送器輸出的電流脈沖信號被采集器檢測,計算出占空比及周期,進而換算出溫度及濕度。
1.1主電路原理
電路原理如圖2所示。由晶體管構成的5mA電流源經并聯型參考源為主電路提供5V的參考電壓。
溫度傳感器為以電流輸出表示絕對溫度的傳感器AD590,靈敏度為1μA/K,AD590輸出的電流經Rs轉換成電壓VT,設溫度為T(℃),則
濕敏元件為高分子電容CH,容值約為80~120pF(0~100%RH)。
主電路為由JFET輸入的低電壓、運放U1構成的積分器及CMOS輸出的回差比較器U2構成的積分振蕩器。由于CMOS輸出只存在輸出電阻R0,故輸出高低電平時可等效為Vr及零伏與R0串聯。設U2輸出高電平時間為TH,低電平時間為TL,根據電荷平衡原理,有
則輸出脈沖占空比為
可見,占空比僅與VT和參考電壓有關,因而電路對溫度信號的變換具有很好的精度和穩定性。研究表明,這一電路輸出的占空比與輸入電壓關系的線性度可達0.01%以上。
電路輸出的低電平脈沖寬度為
式中C0為微調電容及CH引線等的分布電容,可見,負脈寬與濕敏電容成正比關系。
1.2接口電路原理
接口電路原理方框圖如圖3所示。低功耗穩壓保持電路為CMOS數字電路提供穩定的電源。總線上的復位及尋址負脈沖經衰減限幅后通過脈寬鑒別電路分離出復位和尋址信號,再經消噪整形后控制計數器的復位和計數。當記數值與撥碼開關設置的地址相同時,數據比較器輸出信號將主電路接通工作。
2變送器信號處理
當專用采集器選通某變送器后,變送器輸出的復合調制電流脈沖經分離、消噪、隔離后變成電壓脈沖,通過單片機的定時器在占用CPU極少資源的情況下測出其正負脈寬TH及TL。下面分析如何由TH、TL計算溫度及濕度。由式(1)及(2)可得
式中，根據式(4)可直接得到溫度。測溫精度主要由AD590決定,典型值為±0.5℃,故RS及Vr的精度應為0.1%。實際應用中可通過微調RS獲得變送器溫度與占空比關系的一致性。
由式(3)可知,濕敏電容CH與TL成正比,但與VT也有關,而VT不是常數。由于占空比已先測出,η與TL作相乘處理得:
令
，K為常數,有
在己確定濕敏電容的相對濕度與容值關系的情況下,可直接算出相對濕度。由于濕度電容有較大的離散性,通常需標定來確定相對濕度與T′L的關系。變送器采用線性標定,低端選用LiCl飽和溶液平衡氣濕度(11.7%RH),高端采用NaCl飽和溶液平衡氣濕度(75.5%RH)。通過微調R和C0,使變送器在低端和高端輸出的T′L分別為TL0和TL1,這樣采集器通過簡單插值運算即可求出相對濕度,即
3變送器主要技術指標測試及分析
3.1測量范圍及精度
測溫范圍:-40~70℃,測溫精度為±0.5℃;測濕范圍:0~95%RH,測濕精度為±3%。測量范圍及精度主要取決于所選用的敏感元件性能,其中測濕精度還與標定裝置及標定過程有關,測濕誤差由濕敏電容非線性、濕滯、漂移、濕度漂移及標定裝置誤差、標定過程濕度平衡誤差等構成。
3.2總線連接點數
工作電壓為7~30V,待機電流IS≤50μA,工作電流IW≤6mA,信號電流脈沖幅度IP=10mA±l0%,理論上,總線上可連接變送器最大數量N由下式決定
實測連接250只變送器或等效負載時能可靠工作。
3.3傳輸距離
由于總線中信號頻率很低,研究表明總線末端無需匹配電阻,傳輸距離主要由總線的電壓降及信號邊沿的畸變決定。實驗表明,在0.5mm2非屏蔽雙絞線末端連接250個變送器或等效負載,且保證上傳信號精度損失小于0.1%,總線長度可達2km。
3.4變送器采樣速率
變送器采樣周期由尋址時間和上傳信號采集處理時間組成,其中尋址時間為1ms,信號采集時間決定于信號周期及采集周期數(數據處理與脈寬采集可同時進行)。本變送器輸出信號周期約為1.5ms,采集器采集兩個周期取平均,采集周期約為5ms,即連接200個變送器時,系統巡檢周期僅約10秒。
4結束語
本文介紹的總線式溫濕度變送器具有連接點數多,傳輸距離遠,便于構成采集系統及價格低等優點,并己在倉儲、蔬菜大棚等領域成功應用。使用中發現濕度標定仍較費時,而采用軟件標定將數據存于采集器中就能保證變送器的互換性,為此我們正在開發內嵌MPU的智能變送器。
摘自：中國計量測控網
