单位文秘网 2022-03-01 08:12:00 点击: 次
【摘要】室内温湿度经常发生动态变化,这种变化对人体有较大的舒适性影响。本文介绍了一种基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式系统的温湿度检测仪,对温湿度检测原理、软硬件的设计与实现方法进行了详细阐明。该仪器充分利用单片机自身资源,具有小型便携、高性能、低功耗、实时性强、易开发等优点,可广泛应用于诸多领域的湿温度一体化测量。
【关键词】温湿度测量仪;传感器;设计;室内
前言
温湿度是对自然与室内空气冷热、干湿程度、状况的反映,空气的温度和湿度之间有着密不可分的关系。人对温度或湿度的体感并不是单独或分开的,而是两者综合作用的感受。人对温湿度体感有舒适度要求,室温18℃时,相对湿度应保持在30-40%,室温达25℃时,相对湿度应保持在40-50%为最宜。温湿度不宜会对人体产生危害。过高会使人感到闷热难受、精神不振、头昏脑胀,过低会使人感到寒冷、缩手缩脚、过多消耗体能,还会使衣服发霉、虫蛀,食品发霉变质。
1.温湿度检测原理
温湿度传感器是决定检测仪精度的关键器件,其选取的原则主要有测量范围、工作环境、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性及体积大小等。考虑以上因素和仪器的测量要求,设计可以采用薄膜铂电阻HEL-775等元器件进行测温,可以采用高分子薄膜式湿敏电容HS1100作湿度测量。HEL-775的主要技术参数如下:测量范围-55℃~+150℃、基本电阻1000Ω(在0℃时)、测量精度好于±0.3℃、温度系数0.00375Ω/Ω/℃、互换性1000Ω±1Ω(在0℃时)、满量程线性度±0.15%、响应时间10s(10ft/s空气中)、稳定性<0.05℃/5a、自热系数3.0mW/℃。
HEL-775铂电阻元件的温度—电阻关系式为:
Rpt=R0[1=aT-bT2-cT3(T-100)] (1)
(1)式中Rpt为待测温度T时的铂电阻值
R0为零度时的基本电阻值,a、b、c是温度系数=0.00375Ω/Ω/℃时的取值常数,其中c在0℃以上取值0。HS1100湿敏电容具有不需校准的完全互换性,能瞬时退饱和,适用于线性电压输出和频率输出两<5s,温度系数为0.04pF/℃,稳定性0.5%RH/a,可见性能是较高的。使用中的HS1100湿敏电容参数值与湿度RH、频率f、温度T有关,其关系式如下:
C即典型标称电容,a3、a2、a1、a0取值为常数。上述式(1)~(4)说明:温湿度仪的高精度测量,必须考虑传感器的非性线、频率和温度补偿及测量误差等问题,因此在布置印刷电路板时应尽量减少引线电阻和分布电容以降低测量误差,在电路设计上要加线性化处理电路及温度补偿电路,或借助于单片机系统,由软件查表等方法进行处理、修正。如有可能可用标准仪器进行校准,以提高测量精度。
2.便携式温湿度仪设计
2.1硬件设计
在硬件上采用以ARM为核心的嵌入式系统架构,ARM主控芯片是基于ARM Cortex-M3内核,具有高性能、低成本、低功耗、实时性强、易开发等特点的STM32系列处理器,主控芯片编程实现系统控制、数据存储、分析处理和显示等。外围部件主要包括传感器信号采集模块、SD卡数据存储模块、LCD液晶显示模块和高性能聚合物锂电池。
⑴温湿度传感器电路
本温湿度测试仪采用的温湿度传感器为SHT21,其数据输出为标准的I2C信号,它和微控制器STM32F103ZET6之间通过I2C接口进行通信。
⑵SD卡存储电路
采集器的数据存储采用大容量的SD卡(8GB或者32GB)来实现,STM32的SDIO总线采用的是4位总线多块读写模式,波特率设为24MHz,当系统只进行文件读写的时候,读速度达到6.74MB/s,写速度达到4MB/s,完全能够达到本测试仪对数据保存的设计要求。同时SD卡座焊接在主板上,每次使用可以直接插拔SD卡,使用起来稳定可靠又非常简单。SD卡和STM32通过SDIO总线来进行数据的传输。原理图如图1所示
⑶LCD显示电路
LCD显示屏选用的是有240(RGB)×320的点象素,能实现262,144灰度级别画面显示的SSD1289。其有8位、9位、16位、18位总线形式,可以快速有效地传输图像数据,还提供18位的RGB接口。它集成了LCD控制器,能有效节约CPU的资源,拥有较大的灵活和扩展性。LCD和STM32通过FSMC总线来进行数据传输。
⑷电源电路
由于STM32F103ZET6的供电电压为2.7~3.6V,SD卡的电源输入为2.0~3.4V,因此选取常用的3.3V作为供压源。LCD的供电电压为5V,通过具有较高的电源抑制比、超低噪声、较好电压线性、负载瞬态效应和较小的电压漂移的线性低压稳压器LM1117和78L05变压,得到所需3.3V和5V工作电压。同时,在输入、输出和电源地之间连接0.1μF和10μF的旁路电容使输入电压更平滑,并获取稳定纯净的电压输出,提高纹波和噪声抑制,增强稳定性。
⑸PCB印刷电路板
印刷电路板主要从尺寸大小、外部连接、散热性等设计考虑,芯片、电容、电阻等选择贴片式,芯片间距要小,但必须保证印刷电路板上器件之间散热良好、信号传输可靠。传感器芯片SHT21焊接于印刷电路板上,同时,加入铣削狭缝设计,以保证测量的温湿度更加准确,减小印刷电路板上热传递对传感器的影响。
⑹键盘显示
设计快速键盘。为读取按键值,首先设置输出口,依次输出低电平,输入口,开放中断,选定下降沿触发。当有键按下时,中断及定时器溢出中断服务程序,完成去抖动延时、按键互锁、键值读取等功能,得到的键值交后续程序处理。片内LCD驱动器可工作于静态及2~4多选背极4种模式,最多可驱动4×24=96段液晶。引脚设定液晶模拟偏置电压,提供驱动能力。有段输出和公共输出,接LCD背极。对LCD的软件控制也极其简单,控制寄存器LCDCTL定义工作模式及电流消耗,12个8位显示存贮器LCDM1~LCDM12存放96段要显示的状态信息,每位对应1段,其内容由查显示字型表来获得。通过键盘,仪器可选择“测量/通信”使用方式、“温度/湿度/温湿度循环”采集类型、可按键校时、设置参数、启动采集、存贮数据等。4×24段LCD显示屏可显示工作状态、时间、温湿度测量结果、超量程指示和电池欠电报警,从而大大方便了用户。
2.2软件设计
软件采用模块化结构,主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。单片机系统上电后,进入初始化程序,完成对片内各模块工作方式的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作,然后转入主程序,开启中断,设置进入低功耗模式。操作系统采用RT-Thread嵌入式,编程实现电源时钟管理、温湿度数据采集、分析与处理、数据存储和LCD实时显示等功能。程序设计主要包括数据采集、数据处理、数据显示3大部分,主程序流程如图2所示。
对于优先级问题,首先要保证采集数据的正确性,所以定时器的优先级(硬件优先级)要设置为最高,然后针对RT-Thread 的几个线程的优先级(软件优先级)设置如下:(1)为了实时读取采集的数据,防止数据的不连续,数据采集线程优先级是最高的。(2)其次是数据处理线程的优先级,保证SD卡存储和分析处理的实时性和完整性。(3)最后是LCD显示线程的优先级最低,以供用户查看相关信息。当定时器定时时间到后,定时器中断处理函数将发送一个事件信号给数据采集线程,数据采集线程通过I2C接口读取温湿度传感器数据;然后将数据按一定顺序存入缓冲区段中,直到存满一个缓冲区段后发送一个事件信号给数据处理线程。
数据处理线程包括温湿度数据的分析处理和数据的实时存储两大部分。如果温湿度测试仪使用的环境电磁干扰大,就需要对采集到的温湿度数据进行降低干扰的预处理。由于室内温湿度变化缓慢,一般不会出现温湿度突变的情况,可采用5点平均值滤波法,就能滤除掉由于电磁干扰引起的毛刺干扰。再按照人体舒适性评价的分级得出舒适性评价等级。数据存储将温度、湿度、季节信息、空调状态和评价等级存入大容量的SD卡中,以供后期数据分析处理。LCD显示线程主要是完成界面显示和刷新,该测试仪的主界面主要分为系统信息、环境信息和数据信息3部分。
3.试验结果
根据我国房屋室内温湿度舒适性等级划分标准,以夏季某房间室内的温湿度测试数据为例,该组数据测试位置为离地板1.2m,在房间各个部位各测得一组数据,并在该温湿度状况下对室内舒适度进行测试。根据对比结果表明,温湿度舒适性测试结果完全符合要求。
4.结语
本测试仪具有数据采样处理、储存、显示,仪器体积小,功耗低,可随身携带到各个测试点进行数据采集。可以非常方便在房屋室内进行实时评价温湿度舒适性状况。
参考文献
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[2]杨亮.旅游目的地舒适度评价指标体系的建立和评价方法的研究[J].山东经济,2008(5).
[2]林敏.HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用[J].仪表技术与传感器,2001(10).
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