智能仪器课外设计报告

空气湿度测量仪数据采集系统设计报告课题名称:基于STM32F103开发板片上ADC的空气湿度数据采集系统设计者：学号：联系方式：一、项目简介空气湿度在许多方面有重要的用途，在大气学、气象学和气候学中它主要是理论中的一个重要值。湿度的检测广泛应用于工业过程、农业温室、仓库和气象、环保、智能建筑等领域，人感觉的舒适程度、物质的反应过程以及农作物的生长发育均与周围环境的湿度有着密切的关系。例如：在存放水果的仓库里湿度决定水果的成熟。在存放金属的仓库里湿度过高可能导致腐蚀。其它许多货物比如化学药剂、烟、酒、香肠、木、艺术品、集成电路等等也必须在一定的湿度或在湿度为零的条件下存放。因此在许多仓库、博物馆、图书馆、计算机中心和一定的工厂（比如微电子工业）中都有空调装置来控制室内的湿度随着社会的发展和生活水平的提高，小型，快速，灵敏的湿度测量仪表在现代生活中，尤其是在智能办公大厦和智能居民小区中有着广阔的应用前景。二、主要技术指标(1)分辨率:0.23%RH(2)转换速率:55.6KHz(4)测量范围:0%RH～100%RH(3)精度:≤±3%RH(4)工作温度:-40～100℃三、项目的工作原理（1）空气湿度的表示方法湿度：表示大气干燥程度的物理量。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、以及露点等物理量来表示。(1)绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。(2)相对湿度是50%的空气含有达到同温度的空气的饱和点的一半的水蒸气。相对湿度超过100%的空气中的水蒸气一般凝结出来。随着温度的增高空气中可以含的水就越多，也就是说，在同样多的水蒸气的情况下温度升高相对湿度就会降低。因此在提供相对湿度的同时也必须提供温度的数据。通过相对湿度和温度也可以计算出露点。(3)露点温度:当保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度(℃),简称为露点。目前应用最多的是相对湿度。我们的测量仪测量的就是空气的相对湿度(RH)。（2）系统的原理框电容型湿敏传感器电容/电压变换器RC低通滤波器单片机片上ADC进行模数转换，处理数据液晶显示图1.1系统原理框图（3）各元器件作用1.湿敏传感器HS1101本设计是基于电容式湿敏元件的薄膜电容的容量(实际为其电介质材料的介电常数ε)随着湿度的变化而变化。根据湿敏电容在环境中电容的实际容量来确定环境的湿度，为了便于测量要把电容转化为电压然后进行A/D采样和数据显示。湿敏电容HS1101由法国Humirel公司生产，HS1101具有以下优点：(1)不需校准的完全互换性;(2)长时间饱和下快速脱湿;(3)高可靠性和长时间的稳定性;(4)响应时间快;(5)受温度的影响小;(6)适用于线性电压输出和频率输出电路;(7)专利的故态聚合物结构;HS1101的参数表格：(Ta=25℃,@10KHz,除非特别标定)参数符号参数值（MinTypMax）单位湿度范围RH0~100%RH标称电容@55%RHC177180183pF平均灵敏度(33%~75%RH)△C/%RH0.34pF/%RH曲线精度（10%~90%）+/-2%RH迟滞+/-1.5%长时间稳定性0.5%RH/yr反应时间ta5S供电电压Vs5/10V工作温度Ta-40~100℃图1.2HS1101典型输出曲线从电容的典型输出曲线可以看出当相对湿度在0——100%（RH）范围内变化时电容器的电容的容量由162pF——202pF,误差不大于2%。2.基于双集成定时器CC7556的电容/电压变换器容量-电压变换器的设计:图1.3电容电压变换器为便于测量,须将电容的容量的变化转换为电压的输出,完成这种功能的电路称为电容－电压变换器。本设计的变换器电路如图4所示,其中1A和2A是双集成定时器CC7556内部的两个完全相同的定时器。其中1A和1R、1C组成多谐振荡器;2A和2R、XC构成单稳态触发器在多谐振荡器中由于没有接定时电阻,所以振荡脉冲的占空比q1≈100%。因为振荡频率为31101020)/(43.1CRfHz,周期为500Tμs。将1A输出的脉冲信号01V送到2A的触发端IV,由于XC即为容量随湿度的变化而变化的湿敏电容器,因此,变换器从单稳态触发器输出的单一脉冲信号的信号的脉冲宽度为:0t=XCR2ln3≈XCR2×1.1=1.1×510XC…………(1)当XC以pF为单位时,脉冲信号的占空比为:2q=00/Tt=2.2×310XC100%………………………(2)这样,输出电压的平均值0U将与2q成正比,即与XC成正比关系。将0U通过电阻和电容滤波，然后由于单稳态触发器输出脉冲的高电平HU0=0.8CCU,因此0U=q2HU0。当湿度从0变为100(RH%)时,XC则从162pF线性增大到202pF,按照(2)式,可以得到:q2=35.6%～44.4%这时0U的变换范围为1.424～1.776V。经过STM32F103单片机片上ADC进行模数转换后经过标度变换后用液晶显示器显示相对湿度。3.阻容低通滤波器临界频率计算公式：临界频本设计中电阻选用10kΩ,电容选用10uF，截止频率为1.59Hz。即可满足设计要求。4.ALIENTEKMiniSTM32开发板开发板简介：开发板上有STM32F103RCT6芯片及最小系统还附带一些简单外设，该芯片具有48KSRAM、256KFLASH、2个16位基本定时器、4个16位通用定时器、2个16位高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、51个通用IO口。片上ADC简介：STM32拥有1-3个ADC这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。STM32F103系列最少都拥有2个ADC，我们选择的STM32F103RCT包含有3个ADC。STM32的ADC最大的转换速率为1Mhz，也就是转换时间为1us（在ADCCLK=14M,采样周期为1.5个ADC时钟下得到），不要让ADC的时钟超过14M，否则将导致结果准确度下降。转换速率的计算：ADC的转换时间可以由以下公式计算：Tcovn=采样时间+12.5个周期其中：Tcovn为总转换时间，采样时间是根据每个通道的SMP位的设置来决定的。例如，当ADCCLK=14Mhz的时候，并设置239.5个周期的采样时间，则得到：Tcovn=239.5+12.5=252个周期。Fs=ADCCLK/Tcovn=14MHz/252=55.6KHz。所以转换速率为55.6KHz。图1.4STM32开发板的整体电路图本设计将用到ADC1的通道1在PA1上：图1.5STM32开发板的ADC1的通道1放大电路图本设计的液晶屏与STM32连接电路图：图1.6STM32开发板液晶电路图ADC的基准电压为3.3V，模拟电压的输入范围为0-3.3V，由前面的计算可知低通滤波器的输出电压为1.424～1.776V，因为ADC位数为12，所以量化因子Q=3.3V/4096=0.8mV，1.424～1.776V对应湿度的变化范围为0%RH～100%RH，把传感器的输出特性曲线看做线性变化的，所以ADC把1.424～1.776V分为440份，那么空气湿度仪的分辨率为100%RH/440=0.23%RH。ADC的采集时序图图1.6STM32开发板的ADC1的采集时序图采集程序流程图使能ADC1时钟设PA1口为模拟输入使能ADC并校准设置ADC1的分频因子设置ADC1的工作模式式读ADC的值四、电路图五、误差分析主要的误差来源于把传感器的输出曲线认为是线性的，所带来的非线性误差达到+/-2%。六、参考资料基于HS1101的湿度测量仪设计-朱玉玉STM32中文参考手册_V10+5VSTM32F103开发板PA1GNDVCC+3.3V