基于高分子湿敏电阻的多种接口传感器的研究

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今天,我们人类的生存和社会活动都与湿度密切相关,随着社会发展和现代化的普及,湿度在许多方面都有很重要的用途,在各个领域中都显得尤为重要。所以,湿度传感器在日常生活以及科学研究中也是不可缺少的。我们日常所能接触到的湿度传感器多采用湿敏电容(电容型湿敏元件)制成,利用湿敏电阻(电阻型湿敏元件)设计的湿度传感器却很少见。本文设计了一种基于高分子湿敏电阻的多种接口传感器。本研究所用的湿敏元件采用吉林大学电子学院微电子学与固体电子学课题组自主研发的高分子湿敏电阻,并根据该湿敏元件的特性设计的一款湿度传感器。由于湿敏元件具有负的温度系数,本文利用DS18B20温度传感器增加了温度补偿功能,并使该传感器可同时测量湿度和温度。该传感器可测量11%到95%的相对湿度以及所测环境的温度,并带有频率接口模块、电压接口模块、电流接口模块、RS-232接口模块、RS-485接口模块、蓝牙接口模块、无线传感网络模块等七个接口模块以及诺基亚LCD5110显示模块,该传感器还具有校验功能。本传感器由湿敏元件、振荡电路、单片机(MCU,Micro Controller Unit)、七个接口模块以及显示模块组成。振荡电路根据湿敏元件的特殊要求而独创设计,可以满足单电源供电、湿敏元件两端电压无直流成分且电压幅值不超过1V等要求。湿敏元件将环境中的湿度值转化为电阻值,振荡电路再将湿敏元件在不同环境下电阻值转化为频率值,MCU根据由标准点(相对湿度为11%、33%、54%、75%、85%、95%)得到的频率值绘制工作曲线并计算出未知湿度的相对湿度值。当我们测量未知湿度时,先将测得的未知相对湿度下的频率值通过DS18B20温度补偿,再对应该工作曲线便得到未知湿度的相对湿度值,并在诺基亚LCD5110上同时显示湿度值和温度值。MCU采用的是新一代8051单片机STC12C5A60S2,具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点。频率接口模块是将湿敏元件在环境中的电阻值通过振荡电路和MCU处理后转化为频率值;电压接口模块采用TL431三端可调分流基准源,输出与相对湿度值对应的电压值,输出电压值范围为0—2.5V;电流接口模块采用AD421电流环输出式D/A转化器,输出与相对湿度值对应的电流值,输出电流范围为4—20mA;RS-232接口模块采用美信公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232,RS-485接口模块采用的ADI公司的完全隔离型RS-485/RS-422芯片ADM2587E,实现串口通信。蓝牙接口模块采用BMX-03型蓝牙模块;无线传感网络模块采用美国TI公司推出的完整的2.4GHz射频片上系统解决方案CC2530作为硬件节点微处理器,遵循IEEE802.15.4标准的ZigBee协议。本文设计的传感器还具备校验功能。本系统程序在Keil u Vision3环境下使用C语言编写。实验结果表明,该传感器可测量11%到95%的相对湿度,其中33%到75%相对湿度范围内湿度示值误差为±5%RH,其他相对湿度范围内湿度示值误差为±7%RH,测温范围为-55℃到+125℃,温度传感器固有测温误差为0.5℃。传感器较稳定可靠,功能全面,方便使用,具有多种接口模块,可以满足用户对接口的不同要求,基本满足实验设计要求,加以改进完善后可做成产品投放市场使用。
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