摘要：介紹了由相對(duì)濕度傳感器THS1101、半導(dǎo)體測(cè)溫器件AD590與ADuC812單片機(jī)等組成的高精度的環(huán)境溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，提出了實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的高精度測(cè)量及其精度校正的軟件處理方法。
關(guān)鍵詞：濕度傳感器；溫度傳感器；單片機(jī)；儀表

0 引言

對(duì)環(huán)境條件要求高的場(chǎng)合，需要精密地測(cè)量相對(duì)濕度與溫度，為此研制了智能化的高精度的相對(duì)濕度、溫度測(cè)量?jī)x，其主要性能如下：

（1） 溫度測(cè)量：精度 ±1℃，分辨力 0.1℃；
（2） 相對(duì)濕度測(cè)量：精度 ±1℅RH，分辨力 0.1℅RH；
（3） 可由用戶自行校準(zhǔn)儀表的測(cè)量精度，無需硬件調(diào)整；
（4） 用戶可編程設(shè)定相對(duì)濕度與溫度的上、下限報(bào)警值；
（5） 可手動(dòng)或自動(dòng)記錄測(cè)量的相對(duì)濕度與溫度的結(jié)果；
（6） 用戶可編程設(shè)定手動(dòng)或定時(shí)自動(dòng)打印相對(duì)濕度與溫度的測(cè)量結(jié)果；
（7） 可直接與微機(jī)串行口連接，作環(huán)境相對(duì)濕度與溫度的高精度記錄儀使用。

本文給出了測(cè)量?jī)x的硬件電路原理圖，簡(jiǎn)述了各個(gè)主要功能的硬件電路的具體實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)介紹了環(huán)境溫度的高精度測(cè)量及其精度校正的軟件處理方法和通過軟件的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理實(shí)現(xiàn)環(huán)境相對(duì)濕度的高精度測(cè)量及其精度校正的方法。

1 溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的電路原理如圖1所示。

溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的核心部分是美國(guó)AD公司推出的與MCS51單片機(jī)兼容的ADuC812單片機(jī)[3]，它包含了高性能的8路12位ADC、2路12位DAC、80C52MCU內(nèi)核、8KB EEPROM程序存儲(chǔ)器、640B EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和溫度傳感器等片內(nèi)資源。

溫度測(cè)量電路由半導(dǎo)體集成傳感AD590J串接一個(gè)電阻R15組成，AD590輸出電流通過電阻R15進(jìn)入模擬地，產(chǎn)生相應(yīng)的電阻電壓。電阻R15的電壓輸入到ADuC812單片機(jī)的ADC7口，A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由應(yīng)用軟件處理得到環(huán)境溫度。

相對(duì)濕度測(cè)量電路由NE555構(gòu)成的振蕩器組成，濕度傳感器THS1101的電容隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化，從而導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率變化，ADuC812單片機(jī)通過測(cè)量振蕩器輸出的振蕩頻率，經(jīng)過軟件處理后，獲得相對(duì)濕度值。

溫度與相對(duì)濕度的上、下限報(bào)警信號(hào)通過ADuC812單片機(jī)的P3.6、P3.7、P2.6、P3.7口輸出。

鍵盤輸入電路與LCD顯示電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的功能。RS232C接口電路與PC機(jī)的串行口聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)通信功能。打印輸出接口電路與打印機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)打印功能。

2 高精度的環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的測(cè)量方法。

2.1溫度測(cè)量及其精度調(diào)整方法

AD590是一種由所在環(huán)境溫度決定的恒流輸出器件，其輸出特性為：

I=Kt·t （1）

式中I為AD590輸出電流信號(hào)，單位為1uA電流。t為絕對(duì)溫度，單位為K。Kt為轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為1uA/K。

這種傳感器線性好，熱容量小，靈敏度度高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃。

圖1 溫度、相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x的電路原理圖

AD590輸出電流信號(hào)經(jīng)電阻R15轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其電壓為：

V R = Kt·R15·t （2）

VR從ADC口輸入到ADuC812單片機(jī)中，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量VT。環(huán)境溫度T與VT的關(guān)系式為：

T = KT（VT-V0） （3）

式中T為實(shí)測(cè)的環(huán)境溫度值，VT為環(huán)境溫度為T時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓值，V0為環(huán)境溫度為0℃時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓值，KT為環(huán)境溫度與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)：KT = 1/( Kt·R15)。KT、V0作為參數(shù)存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)EEPROM中。根據(jù)KT、V0兩個(gè)參數(shù)的值，由上述公式即可計(jì)算出環(huán)境溫度值。

上述溫度測(cè)量方法中，KT、V0參數(shù)是影響溫度測(cè)量精度的主要因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整KT、V0參數(shù)可實(shí)現(xiàn)儀表溫度測(cè)量精度的校正。 具體方法如下：

用其它更高精度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀測(cè)量環(huán)境溫度T1，輸入本儀表，ADuC812單片機(jī)同時(shí)記錄下相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量V1。當(dāng)環(huán)境溫度從T1變化到T2時(shí)，重復(fù)以上過程，ADuC812單片機(jī)同時(shí)記錄下相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量V2。為保證校準(zhǔn)精度，環(huán)境溫度應(yīng)在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。儀表的應(yīng)用軟件根據(jù)公式：KT=（T1-T2）/（V1-V2）和V0=VT1-T1/KT計(jì)算出KT和V0 的值，并存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，既完成該儀表的溫度測(cè)量精度的校正。儀表的應(yīng)用軟件系統(tǒng)配置有專用的服務(wù)子程序完成此項(xiàng)工作，僅需按儀表的LCD顯示器的提示完成有關(guān)操作。

儀表在出廠前或使用中溫度測(cè)量精度均采用上述方法進(jìn)行校正。經(jīng)過精度的校正，溫度測(cè)量誤差小于1℃，分辨力小于0.1℃。

2.2 相對(duì)濕度測(cè)量及其精度調(diào)整方法

相對(duì)濕度測(cè)量電路是由NE555和濕度傳感器THS1101構(gòu)成的振蕩器組成，其特點(diǎn)是測(cè)量范圍大，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，溫度系數(shù)低，線性度較好，體積小。

實(shí)驗(yàn)得出振蕩電路的輸出頻率（f）與環(huán)境溫度（T）的關(guān)系曲線，如圖2所示。在環(huán)境相對(duì)濕度不變的條件下，它們是近似的線性關(guān)系，忽略非線性誤差不影響測(cè)量的精度；在不同環(huán)境相對(duì)濕度的條件下，頻率的溫度補(bǔ)償系數(shù)是不同的，相對(duì)濕度為X%RH時(shí)振蕩頻率）的溫度補(bǔ)償系數(shù)（ΔfRHX）與相對(duì)濕度為0%RH時(shí)振蕩頻率的溫度補(bǔ)償系數(shù)（Δf RH0）的關(guān)系為：

ΔfRHX=Δf RH0· (fRH/fRH0) （4）

式中Δf RH0的值為297/65（Hz/℃）；fRH0是溫度為0℃時(shí)相對(duì)濕度為0%RH的振蕩頻率，其值為7588（Hz）；fRHX是溫度為0℃時(shí)相對(duì)濕度為X%RH的振蕩頻率。

實(shí)驗(yàn)得出相對(duì)濕度（RH）與振蕩電路的輸出頻率（f）在環(huán)境溫度為25℃時(shí)的關(guān)系曲線，如圖3所示。表1給出了該關(guān)系曲線上的10個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，相對(duì)濕度在20% RH—80%RH范圍內(nèi)線性度較好，兩端的線性較差。

顯然，振蕩頻率隨環(huán)境相對(duì)濕度變化是非線性的，并且受環(huán)境溫度的影響很大。采用軟件的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地測(cè)量相對(duì)濕度。

相對(duì)濕度測(cè)量的程序流程如圖4所示。振蕩頻率的測(cè)量是由應(yīng)用軟件系統(tǒng)的時(shí)間中斷服務(wù)程序完成的，它總是把當(dāng)前的頻率值保存在AduC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM中。具體的相對(duì)濕度測(cè)量方法如下：

測(cè)量程序首先直接讀取當(dāng)前的頻率值（f），接著測(cè)量環(huán)境溫度T，然后對(duì)頻率值（f）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償后的頻率值fT = f +(25－T) ·Δf RH0· (fRH/fRH0)；最后對(duì)頻率fT進(jìn)行線性化處理，計(jì)算出環(huán)境的相對(duì)濕度，結(jié)束一次測(cè)量過程。

為了便于軟件線性化處理，我們把圖3 所示的關(guān)系曲線上的10個(gè)點(diǎn)的相鄰兩點(diǎn)用直線連接，形成一條新的曲線，該曲線與實(shí)際曲線幾乎重合在一起。采用該曲線進(jìn)行軟件線性化處理，產(chǎn)生的非線性誤差不影響相對(duì)濕度的測(cè)量精度。該曲線與Δf RH0、fRH0存儲(chǔ)在ADuC812單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)EEPROM中，用于振蕩頻率（f）的溫度補(bǔ)償與線性化處理。

在上述相對(duì)濕度測(cè)量方法中，Δf RH0、fRH0參數(shù)和用于軟件線性化處理的曲線是影響相對(duì)濕度測(cè)量精度的主要因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整可校正相對(duì)濕度測(cè)量的精度。 具體方法是：

在環(huán)境的相對(duì)濕度為0%RH時(shí)進(jìn)入本儀表的相對(duì)濕度測(cè)量精度的校正服務(wù)子程序，改變環(huán)境溫度，服務(wù)子程序自動(dòng)完成相對(duì)濕度測(cè)量精度的校準(zhǔn)。為保證校準(zhǔn)精度，環(huán)境溫度應(yīng)在25℃左右變化，并且變化的范圍盡可能大一些。在相對(duì)濕度測(cè)量精度的校正之前，必須先進(jìn)行溫度測(cè)量精度的校正，因?yàn)橄鄬?duì)濕度測(cè)量精度的校正的精確依賴于儀表測(cè)量環(huán)境溫度的準(zhǔn)確度。其原理類似于環(huán)境溫度的校準(zhǔn)。

儀表在出廠前或使用中相對(duì)濕度測(cè)量精度均采用上述方法進(jìn)行校正。經(jīng)過校正，相對(duì)濕度的測(cè)量精度在20% RH—80%RH范圍可達(dá)1% RH以上，在0% RH—100%RH范圍可達(dá)2% RH以上。相對(duì)濕度的分辨力為0.1℅RH。

3 結(jié)束語

本文提出的實(shí)現(xiàn)溫度和相對(duì)濕度測(cè)量精度校正的軟件方法，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，在同類儀表的開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適合于在工業(yè)加工的精密測(cè)試中心以及對(duì)加工材料的存放有較高要求的環(huán)境中使用，還可以應(yīng)用于居住環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過采用軟件的方法對(duì)影響溫度和相對(duì)濕度測(cè)量精度的參數(shù)的精確校正，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、相對(duì)濕度測(cè)量的高精度測(cè)量，而且校正方便。

本儀表經(jīng)過近一年的使用，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高，智能化程度高，使用簡(jiǎn)便，性能價(jià)格比高，受到了用戶的普遍歡迎。

  深圳冠亞水分儀科技有限公司生產(chǎn)的WL-30R快速肉類水分測(cè)定儀能夠快速測(cè)定豬肉、牛肉、羊肉、雞肉等各種畜禽肉中水分含量，在肉類檢測(cè)領(lǐng)域，測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量速度之間的矛盾一直沒有解決；針對(duì)這一現(xiàn)狀深圳冠亞水分儀科技有限公司提供一種有烘干法結(jié)構(gòu)的快速肉類水分測(cè)定儀器。冠亞牌WL-30R快速肉類水分測(cè)定儀是我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的高新技術(shù)產(chǎn)品，獲得國(guó)家肉類水分快速測(cè)定儀專li:201720425727.3和201820840433.1 新型肉類水分檢測(cè)， 水分儀計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證號(hào)：2017SR573542；符合國(guó)標(biāo)《GB 18394-2001 畜禽肉水分限量》檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。冠亞牌WL-30R快速肉類水分測(cè)定儀簡(jiǎn)化了肉類水分測(cè)定的操作步驟，排除人為、環(huán)境和濕度的影響，縮短檢測(cè)時(shí)間周期，整個(gè)操作時(shí)間簡(jiǎn)單、快速，是一種新型的快速測(cè)定肉類水分的儀器。可作為市場(chǎng)工商管理部門的一種有效的檢測(cè)工具，防止不法商販損害消費(fèi)者的健康和利益的行為。

臺(tái)式肉類含水率測(cè)量?jī)x使用步驟：

國(guó)標(biāo)：

蓄禽肉類水分測(cè)量主要是針對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｊ秤玫闹T如：牛肉、豬肉、羊肉、雞肉等等，這些肉類的水分都是有嚴(yán)格的規(guī)定的，尤其是在銷售、運(yùn)輸、加工、存儲(chǔ)過程中，包括肉類活度的檢測(cè).

蓄禽肉類水分測(cè)量范圍:

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了畜禽肉水分限量指標(biāo)的要求和檢驗(yàn)方法。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于鮮凍豬肉、牛肉、羊肉、雞肉和鴨肉。

蓄禽肉類水分測(cè)量引用文件

GB/T 9695.15 肉與肉制品 水分含量測(cè)定

GB/T 9695.19 肉與肉制品 取樣方法

《GB 畜禽肉水分限量》規(guī)定我國(guó)畜禽肉水分含量正常范圍如附表1所示。

附表1：畜禽肉水分限量（肉類水分檢測(cè)儀制造商：深圳冠亞水分儀科技有限）

品 種	豬 肉	牛 肉	羊 肉	雞 肉
水分含量	≤77%	≤77%	≤78%	≤77%

肉類含水率測(cè)量?jī)x使用步驟：

4.1 抽樣

按 GB 9695.19 規(guī)定的方法執(zhí)行。

4.2 試樣制備

4.2.1 鮮肉：將剔除脂肪、筋、腱后的肌肉組織用絞肉機(jī)(孔徑不大于4mm)至少絞兩次。絞碎的樣品應(yīng)盡快測(cè)定，若不立即測(cè)定，應(yīng)密封冷藏貯存，防止變質(zhì)和成分發(fā)生變化。貯存的樣品在啟用時(shí)應(yīng)重新混勻。

4.2.2 凍肉：自然解凍，并記錄解凍前后的樣品重m1 和m2（至0.01g），解凍后的樣品按本標(biāo)準(zhǔn)4.2.1制備。

4.3 測(cè)定方法1 干燥箱干燥法(仲裁法)

按 GB/T 9695.15 規(guī)定的方法測(cè)定。、

紅外線干燥法：

4.4 測(cè)定方法2 紅外線干燥法(快速法)

　4.4.1 原理

用紅外線加熱將水分從樣品中去除，再將干燥前后的質(zhì)量差計(jì)算成水分含量。

4.4.2 儀器

4.4.2.1 紅外線快速水分分析儀 水分測(cè)定范圍0-100%，讀數(shù)精度0.01%，稱量范圍0-30g，稱量精度0.001g。此儀器由深圳冠亞水分儀科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)SFY-30R肉類水分測(cè)定儀。

4.4.3 測(cè)定

1.接通電源并打開開關(guān)，設(shè)定干燥加熱溫度為105℃，加熱時(shí)間為自動(dòng)，結(jié)果表示方式為 0－100%。

2.打開樣品室罩，取一樣品盤置于紅外線水分分析儀的天平架上，并回零。　

3.取出樣品盤，按本標(biāo)準(zhǔn)4.2.1制備而成的樣品均勻鋪于盤上，再放回樣品室。

4.蓋上樣品室罩，開始加熱，待完成干燥后，讀取在數(shù)字顯示屏上的水分含量。在配有打印機(jī)的狀況下，可自動(dòng)打印出水分百分含量。