電動(dòng)干濕球濕度計(jì)的設(shè)計(jì)

鄧昌建，王保強(qiáng)

（1.成都信息工程學(xué)院 控制工程系，四川 成都610225；2.成都信息工程學(xué)院 電子工程系，四川 成都610225）

目前，電子濕度傳感器在測(cè)量范圍和長(zhǎng)期可靠性方面還不完善，對(duì)于氣象和工業(yè)應(yīng)用的濕度測(cè)量，干濕球測(cè)濕的方法仍然是應(yīng)用的主流技術(shù)。

干濕球測(cè)濕原理是:用一只溫度傳感器檢測(cè)空氣溫度(干球溫度),用另一只相同的傳感器檢測(cè)被蒸餾水浸濕的面紗套內(nèi)的溫度(濕球溫度)，通過計(jì)算或查表計(jì)算出相對(duì)濕度。

對(duì)于常規(guī)應(yīng)用的濕度測(cè)量或計(jì)量來說，其性能指標(biāo)為測(cè)量范圍:10%RH～100%RH；最 大 允 許 誤 差：±3%RH。所需對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量指標(biāo)：(1)測(cè)量范圍:-50℃～+50℃，最 大 允 許 誤 差：±0.50℃；(2)時(shí)間常數(shù)：10 s；(3)通風(fēng)速度：3 m/s～5 m/s[1]。

根據(jù)這個(gè)指標(biāo)和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)電動(dòng)式干濕球濕度計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)式干濕球溫度計(jì)一般須配置[2]：溫度傳感器兩只（采用 AD590）、通風(fēng)裝置、上水裝置。

為使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需盡量保證干濕球測(cè)濕時(shí)，濕度的數(shù)值盡量只與干濕球溫度有關(guān)（或加測(cè)試補(bǔ)償）；而且，需使系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性（常規(guī)實(shí)驗(yàn)室、測(cè)試間測(cè)量或計(jì)量使用）。本文參照QX/T25-2004，并對(duì)比了幾種實(shí)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（1）機(jī)械通風(fēng)式濕度測(cè)量?jī)x由核心控制、電源、溫度傳感器、大氣壓傳感器、水盒、風(fēng)扇和由機(jī)箱構(gòu)成的通風(fēng)道幾部分構(gòu)成[3]。

（2）Pt電阻電動(dòng)通風(fēng)式。

（3）由于 AD590K體積較小，便于實(shí)現(xiàn)小型化，因此采用AD590K。本文借鑒了前兩個(gè)實(shí)物，設(shè)計(jì)了如圖1所示的結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是可拆卸、易安裝，并可保存數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 電動(dòng)式干濕球濕度計(jì)設(shè)計(jì)圖

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

目前氣象和專業(yè)測(cè)濕應(yīng)用，建議采用Pt100或Pt1000電阻。如前所述，AD590可以把體積做小，便于改進(jìn)結(jié)構(gòu)及工業(yè)應(yīng)用推廣，因此本文采用了AD590。但標(biāo)準(zhǔn)建議，干球和濕球溫度傳感器在同一臺(tái)干濕表傳感器中，在 5℃～50℃范圍內(nèi)配對(duì)偏差不大于 0.05℃[2]，所以采用AD590，需要性能好的如 AD590K、AD590L或AD590M，并做比較測(cè)試，也可通過軟件補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完善。本系統(tǒng)采用了AD590K。

2.2 測(cè)濕前端電路設(shè)計(jì)

采用差動(dòng)測(cè)溫度差并考慮校正電路（25℃?zhèn)鞲衅餍Ｕ?、放大增益、零點(diǎn)校正、干球和濕球溫度傳感器對(duì)比修正），進(jìn)行測(cè)濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中前端放大采用了AD623差動(dòng)放大器，其電路原理圖如圖3所示。其中一路測(cè)量干濕球的溫度差（由于采用差動(dòng)，其動(dòng)態(tài)范圍加大），另外通過軟件選擇單路測(cè)量又可獨(dú)立測(cè)量干球溫度（或濕球溫度）。這樣不但提供了精度相對(duì)較高的干濕球溫度差和單獨(dú)的干濕球溫度，還便于軟件校正、濾波等。

圖2 干濕球測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖3 干濕球前端測(cè)試電路原理圖

2.3 處理器選擇及供電電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用AD公司的2008新產(chǎn)品基于ARM的模擬控制芯片ADUC7060為處理器。其速度快、采樣精度高、使用溫度范圍寬、價(jià)格便宜，是一個(gè)性價(jià)比較高的數(shù)據(jù)采集控制芯片。

其特點(diǎn)是CPU內(nèi)核采用“ARM7TDMI”，工作頻率最大為 10.24 MHz，內(nèi)置32 KB的閃存及4 KB的SRAM，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度為8 k樣本/s，電源電壓為+2.5 V。在CPU內(nèi)核工作頻率為10.24 MHz，利用兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，功耗為25 mW。

由于其系統(tǒng)電壓為2.5 V，而串口MAX3232等外設(shè)的電壓為3.3 V，AD590等的工作電壓為5 V，因此系統(tǒng)采用了如圖4所示的供電電路。

其中2.5 V分模擬和數(shù)字兩路供電，這是模擬控制器常見的保證精度和抗干擾的一種重要手段。

處理器的最小系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 ADUC7060的最小系統(tǒng)

2.4 其他電路設(shè)計(jì)

本文還采用串口接口電路、LED顯示電路 （以及可選的氣壓測(cè)試電路、電機(jī)速度測(cè)量和控制電路）來提高系統(tǒng)的性能。圖6所示為串口電路。

圖6 系統(tǒng)的串口電平轉(zhuǎn)換電路

3 濕度的計(jì)算

3.1 利用公式進(jìn)行濕度計(jì)算

這種方法適用于精度較高的場(chǎng)合。在濕度測(cè)量中，采用以下方法進(jìn)行計(jì)算[4]。

相對(duì)濕度：

參照的阿斯曼干濕表的計(jì)算式可表示為：

水：

冰：

其中p是空氣壓，t是干球溫度。

對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓計(jì)算為：

濕空氣（水）：

濕空氣（冰）：

其中大氣壓p的值可以測(cè)量獲取。

3.2 利用擬合和近似方法進(jìn)行計(jì)算

這種方法適用于精度要求一般的場(chǎng)合。

可以上節(jié)的公式分析，實(shí)際上，濕度的大小主要由干球溫度、干濕球溫度之差（或濕球溫度）來確定。如最簡(jiǎn)單的查表法，就是最常見的經(jīng)典方法。

(1)可以采用多元線形擬合的方法來實(shí)現(xiàn)。如先考慮標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，就只需把上面的公式的指數(shù)用級(jí)數(shù)展開，依次代入略去高次項(xiàng)就可。對(duì)于一般的大氣壓，把大氣壓表示為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與偏差之差，再展開就可得到。

(2)采用通過對(duì)濕度、干球溫度、干濕球溫差三者關(guān)系的分析，將曲面問題轉(zhuǎn)化成曲線問題的計(jì)算方法來計(jì)算[5]。

如需提高精度，可以根據(jù)溫度T分段處理來實(shí)現(xiàn)。

由于AD590具有可以測(cè)量點(diǎn)溫、不受測(cè)量線長(zhǎng)度的影響、穩(wěn)定性較好、產(chǎn)品防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，因此采用它做為電動(dòng)式干濕球濕度計(jì)的溫度傳感器；另外本文采用了ADUC7060微處理器，依據(jù)它設(shè)計(jì)了測(cè)量電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并經(jīng)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)證明，本文的設(shè)計(jì)方法具有一定的借鑒意義。

[1]國(guó)家氣象局氣候監(jiān)測(cè)應(yīng)用管理司.氣象儀器和觀測(cè)方法指南（第 6版）[M].北京：氣象出版社，1996.

[2]中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).QX-T 25-2004鉑電阻電動(dòng)通風(fēng)干濕表傳感器[S].中國(guó)，2004.

[3]王成，喬曉軍，張?jiān)弃Q，等.機(jī)械通風(fēng)式干濕球濕度傳感器測(cè)量誤差分析[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2008，18(1)：79-81.

[4]黃曉因，張連根.干濕球法測(cè)量相對(duì)濕度算法研究及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，12(3)：155-157.

[5]楊澤林，李相白，李建春，等.智能干濕球相對(duì)濕度傳感器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2010，31（2）：17-20.