利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2018102154515
申请人: 无锡职业技术学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-30
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.智能湿度传感器,其特征是包括湿度传感器取样电路(001),放大控制电路(002),A/D转换前置输入电路(004),单片机系统(005),A/D转换前置输出电路(006),人机对话单元(007);其中,湿度传感器取样电路(001)的第一信号输出端与放大控制电路(002)的第一信号输入端相连,湿度传感器取样电路(001)的第二信号输出端与A/D转换前置输入电路(004)的信号输入端相连,A/D转换前置输入电路(004)的信号输出端与单片机系统(005)的第一信号输入端相连,单片机系统(005)的第二信号输入端与人机对话单元(007)的信号输出端相连,单片机系统(005)的第三信号输入端与A/D转换前置输出电路(006)的信号输出端相连,单片机系统(005)的第一信号输入输出端与放大控制电路(002)的信号输入输出端相连,放大控制电路(002)的信号输出端与A/D转换前置输出电路(006)的信号输入端相连;

所述放大控制电路(002)包括变送器放大电路,零点控制电路,驱动输出电路(003);所述变送器放大电路采用负反馈运放放大电路,为了提高数字电位器调节某一区段的电阻分辨率,W2可编程电位器和R4电阻串联,构成反馈电阻,用于调节放大倍数,变送器放大电路为了满足智能湿度传感器的输出最大值要达到5V;所述零点控制电路采用运放求和电路,运放求和电路包括1个正极性电路,1个负极性电路;所述负极性电路为湿度传感器取样电路(001)的第一信号输出端输出的取样电压VIN,通过R9电阻接到负反馈运放放大电路U2D的负端;正极性电路包括12V电压端、W1可编程电位器、R2电阻、R3电阻、模拟地,12V电压端与外部12V电源相接,W1可编程电位器中心抽头通过R11电阻也接到负反馈运放放大电路U2D的负端,只要R9电阻与R11电阻的阻值相等,那么,负反馈运放放大电路U2D的输入电压就是两者之和,W1可编程电位器的作用就是调整驱动输出电路(003)的电压的低点;

具体工作方法如下:

选取以相对湿度0%~100%对应0V~5V的变送器;在调试中,选取湿度的相对低点与相对高点作为参考点,那么,具有自适应功能的智能湿度传感器的理论上对应输出电压为

1.5V、4.25V;所述相对低点和相对高点分别为湿度30%和湿度85%,调试整个过程如下:

1)通过模拟相对低点和相对高点湿度环境,放大控制电路(002)读取湿度传感器取样电路(001)在湿度相对低点和相对高点时输出的电压作为对应的取样电压VIN,相对低点和相对高点对应的取样电压VIN分别为x1、x2;具体方法为:高分子湿度传感器RH在相对湿度为30%条件下,3秒的时间段内按1下测量按键KEY1,测得相对湿度低点对应的取样电压x1,LED指示灯闪烁一下;高分子湿度传感器RH在相对湿度为85%条件下,3秒的时间段内连续按

2下测量按键KEY1测得相对湿度高点对应的取样电压x2,LED指示灯闪烁二下;

2)计算W1可编程电位器、W2可编程电位器的理论阻值,放大控制电路(002)的输出电压与输入取样电压的对应关系为:VO=‑(R4+ RW2)×(VIN+12×(R2+RW1)/(R2+R3+RM))/R9 (1)其中,VIN表示取样电压,VO表示输出电压,RM为数字电位器x9110的最大电阻100K,R9电阻、R11电阻的阻值相等,放大控制电路(002)中的W1可编程电位器的阻值为RW1、W2可编程电位器的阻值为RW2;

输入取样电压x1、取样电压x2,对应的输出电压理论值为1.5V、4.25V,代入(1),可得方程:‑(R4+RW2) ×(x1+12×(R2+RW1)/(R2+R3+RM))/R9=1.5; (2)‑(R4+RW2) ×(x2+12×(R2+RW1)/(R2+R3+RM))/R9=4.25; (3)由(2)、(3)方程可解:

RW2=R9×2.75/(x1‑x2)‑R4; (4)

把(4)代入(2)可以求得RW1;

单片机系统(005)依据上面公式计算出阻值RW1、阻值RW2的值,并对可编程电位器W1和可编程电位器W2进行调整;

3)自校准:因为每个湿度传感器和电路都会有差异,实际相对低点和相对高点对应的输出电压有可能不是正好1.5V和4.25V,所以还要和实际值比较进行误差计算,具体方法如下:重复步骤1),按测量按键KEY1改成按自校正按键KEY2;

通过模拟相对低点和相对高点湿度环境,放大控制电路(002)读取湿度传感器取样电路(001)在湿度相对低点和相对高点时输出的电压作为对应的取样电压VIN分别为x1、x2,放大控制电路(002)的信号输出端输出对应的驱动输出电压VO分别为y1、y2;

具体方法为:高分子湿度传感器RH在相对湿度为30%条件下,3秒的时间段内按1下按自校正按键KEY2,测得相对湿度低点对应的取样电压x1,LED指示灯闪烁一下,测得驱动输出电路(003)信号输出端的输出电压y1;高分子湿度传感器RH在相对湿度为85%条件下,3秒的时间段内连续按2下按自校正按键KEY2测得相对湿度高点对应的取样电压x2,LED指示灯闪烁二下,测得驱动输出电路(003)信号输出端的输出电压y2;

湿度低点误差:Δ1=y1‑1.5;

湿度高点误差:Δ2=y2‑4.25;

误差即为Δ1、Δ2中绝对值大者;

4)根据实际值计算RW1、RW2的值:

将对应的输出电压代入公式(2)、(3),输出电压理论值为1.5V、4.25V变为实际值y1、y2;

‑(R4+RW2) ×(x1+12×(R2+RW1)/(R2+R3+RM))/R9=y1; (5)‑(R4+RW2) ×(x2+12×(R2+RW1)/(R2+R3+RM))/R9=y2; (6)根据步骤2)方法,再次计算出阻值RW1、阻值RW2的值,并对W1可编程电位器和W2可编程电位器进行调整;

5)重复步骤3)进行第二次自校准,可得驱动输出电压y1’和y2’

湿度低点误差:Δ1’=y1’‑1.5;

湿度高点误差:Δ2’=y2’‑4.25;

计算出新的误差即为Δ1’、Δ2’中绝对值大者;

再次根据实际值驱动输出电压y1’和y2’,计算出此时阻值RW1、阻值RW2的值:

最终,阻值RW1、阻值RW2的值取二次误差小的那次的值。

2.根据权利要求1所述的智能湿度传感器,其特征是所述智能湿度传感器还包括接口模块(008),接口模块(008)的信号输入输出端与单片机系统(005)的第二信号输入输出端相连接。

3.根据权利要求1或2所述的智能湿度传感器,其特征是所述湿度传感器取样电路(001)中包括有高分子湿度传感器RH,所述高分子湿度传感器RH采用高分子电阻型湿度传感器,所述高分子湿度传感器由RC桥式振荡电路供电,RC桥式振荡电路产生频率为1KHz、幅度为1V的正弦波为高分子湿度传感器提供电源,所述RC桥式振荡电路与高分子湿度传感器RH、温度补偿电阻RT、W3电阻、电源地构成分压电路,分压通过另一级运放U2C进行交流放大,二极管D4作用为半波整流,最后R5电阻与C30电容为1阶滤波,把交流变成直流电压VIN;

所述RC桥式振荡电路包括R20电阻、C31电容、C32电容、R22电阻、R23电阻、运放U2A。

4.根据权利要求1所述的智能湿度传感器,其特征是所述W1可编程电位器、W2可编程电位器均采用数字电位器x9110。

5.根据权利要求1所述的智能湿度传感器,其特征是所述驱动输出电路(003)采用三管射极跟随器输出。

6.根据权利要求1或2所述的智能湿度传感器,其特征是所述A/D转换前置输入电路(004)采用了LM358运放U5A进行反相放大,若R29和R30电阻值相等,则该电路的作用将湿度传感器取样电路(001)输送的取样电压VIN取反;所述A/D转换前置输出电路(006)包括分压电路和LM358运放跟随器U5B;所述A/D转换前置输出电路(006)采集驱动输出电路(003)发射极的发射极电压VO的电压信号经R27电阻、R28电阻分压,再通过LM358运放跟 随器U5B把电压信号取出,以便单片机系统进行运算和控制。

7.根据权利要求1或2所述的智能湿度传感器,其特征是所述单片机系统(005)包括 STM32单片机;所述人机对话单元(007)包括调试按钮和LED指示灯模块;所述LED指示灯模块为一个LED灯;2个独立式按键分别为测量按键KEY1和自校正按键KEY2;所述测量按键KEY1和自校正按键KEY2均为4脚微动开关;所述测量按键KEY1与STM32单片机的PC7引脚相接,自校正按键KEY2与STM32单片机的PC8引脚相接。

8.根据权利要求2所述的智能湿度传感器,其特征是所述接口模块(008)采用RS232接口进行RS‑232C通信。