基于温湿度测量的露点仪设计与应用

　　摘 要：针对当前测量露点的仪器价格昂贵、结构复杂以致无法在实践教学中广泛使用的现状，该文提出了一种基于温湿度测量的露点仪设计方法。文中给出了详细的硬件设计原理图，介绍了温湿度传感器数据获取，数据转换等具体的软件设计方法。本文对仪器做了实际测试，对数据结果进行了简要分析，结果表明该露点仪性能稳定，数据可靠，可满足实践教学的需要。

　　关键词：露点仪 温度 湿度

　　中图分类号：TH765 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0018-04

　　露点，即露点温度，是指在固定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度[1]。达到这个温度时，凝结的水飘浮在空中称为雾、而沾在固体表面上时则称为露，因而得名露点，它在气候资源学科和环境学科研究以及电力、石化、天然气等众多行业中具有重要意义。

　　最早用来测露点的方法是镜面法，它把一个镜面置于湿空气样品中降温，在镜面上隐现露滴的瞬间，测得的镜面平均温度，即为露点温度[2， 3]。这种露点测量方法精度很高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴光学探测系统，而且使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。除镜面法之外，常用的露点测量方法还有重量法，电解法，阻容法以及震动频率法[2-4]等等，基于这些测量方法设计的露点仪虽然精度较高，但其系统复杂，维护不便，价格昂贵等因素在一定程度上限制了产品的实践教学中的应用，影响了教学效果[5]。

　　研究表明，露点是温度和湿度的相关函数：相对湿度越高，露点会越接近气温，当相对湿度达到100%时，露点与气温相等，而当露点不变时，相对湿度与气温成反比[1]。因此，只要测量环境的温度和湿度，就可经过相应换算而得到环境的露点温度。基于此，本文提出基于SHT75传感器温湿度测量的露点仪设计方法，它不仅结构简单，维护方便，还具有很高的性价比，可完全满足实践教学的需要。

　　1 SHT75传感器介绍

　　SHT75属于Sensirion温湿度传感器家族中的插针型封装系列，它将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号[6]。SHT75传感器采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。测量时，SHT75首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D 转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器MCU，再利用MCU完成非线性补偿和温度补偿。

　　SHT75传感器温度和相对湿度默认的测量分辨率分别为14位、12位，若对数据的实时性有更高要求的时可通过状态寄存器设置将其分别降至12位、8位。传感器的测温范围为-40～123.8 ℃，对于14位的分辨率为0.01 ℃；湿度测量范围是0-100%，对于12位的分辨率为0.05%RH。每个传感器芯片都在极为精确的环境中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准，使SHT75具有100% 的互换性。

　　2 露点仪硬件设计

　　露点仪的硬件电路设计包括温湿度测量，数据显示和数据通信等3大部分内容，涉及的元器件主要包括数据处理单片机STC12C5A32S2，温湿度传感器SHT75，时钟芯片DS1302，液晶显示屏LCM12864和串口通讯器件MAX232，如图1所示。

　　STC12C5A32S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是一种高速、低功耗、具有超强抗干扰性能的新一代8051单片机，其运行速度比传统8051单片机快8～12倍[7]。单片机集成有MAX810专用复位电路，1280字节RAM，32K Flash ROM，28K EEPROM，并带有2个通用全双工异步串行口（UART）。此外，该单片机无需专用编程器和仿真器，便可通过串口（P3.0/P3.1）在数秒内实现用户程序的下载。

　　由于STC单片机没有总线接口，故用P1.0和P1.1虚拟I2C接口，分别与SHT75 的时钟端口CLK和数据端口DATA相连。CLK用于使单片机与SHT75之间通信同步，由于SHT75接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小CLK频率限制，单片机可以以任意低的速度与SHT75通信。串行数据线DATA引脚是三态门结构，用于数据的读取，它在CLK时钟下降沿之后改变状态，并仅在CLK时钟上升沿有效。在单片机向SHT75发送数据且CLK 时钟为高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，单片机应拉低DATA，当需要拉高DATA信号时，可以通过附加的4.7kΩ上拉电阻来实现。

　　此外，DS1302，LCM12864和MAX232分别实现露点仪的计时、显示以及串口通讯等功能，均为常用芯片，具有性能稳定，采购方便，性价比高等优点。

　　3 露点仪软件设计

　　露点仪的工作流程如图2所示，主要涉及参数设置，数据采集，露点计算，数据存储与显示以及串口通讯等功能块。

　　参数设置包括对DS1302数据的初始化、校时，采样频率设置，存储方式设置等。这一过程可通过串口在露点仪和PC机间建立通讯实现。

　　数据采集包括：建立与SHT75通讯，温湿度测量，测量数据转换等3部分内容，具体为。

　　3.1 建立通讯

　　选择2.4～5.5 V的供电电压，以不低于1 V/ms的上电速率给传感器通电。通电后传感器需要11ms进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。之后用一组“启动传输”时序，来完成数据传输的初始化，它包括：当CLK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着CLK变为低电平，随后是在CLK 时钟高电平时DATA翻转为高电平。后续命令包含三个地址位（000），和五个命令位，其中温度测量命令为00011，湿度测量命令为00101。SHT75会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8个CLK 时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平（ACK位）。在第9个CLK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。

　　3.2 温湿度测量

　　单片机通过发送一组测量命令（00000101表示测量相对湿度RH，00000011表示测量温度T）来实现对温度或湿度的测量，数据的位数为8/12/14bit时，所对应的等待时间大约20/80/320ms。SHT75通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。单片机在再次触发CLK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样单片机可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。单片机需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB开始，右值有效。如：对于12bit数据，从第5个CLK时钟起算作MSB；而对于8bit 数据，首字节则无意义。在收到CRC的确认位之后，通讯结束，SHT75自动转入休眠模式。