基于虛擬儀器技術(shù)的溫度、濕度無線檢測(cè)系統(tǒng)的研究

　　環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備和高溫高壓滅菌裝置是保證產(chǎn)品質(zhì)量以及人民健康免受病菌侵害不可或缺的試驗(yàn)設(shè)備，溫度、濕度的控制在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中起著相當(dāng)重要的作用。隨著各行業(yè)溫濕度檢測(cè)需求的增加，要求相應(yīng)的檢測(cè)、驗(yàn)證手段必須不斷提高和完善。一些傳統(tǒng)的計(jì)量檢測(cè)儀器和方法無法滿足某些特殊環(huán)境下的測(cè)量要求。為了確保環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度檢測(cè)的可靠性，必須采用特定的技術(shù)對(duì)該類環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證。

　　該檢測(cè)系統(tǒng)基于NI公司推出的Labview虛擬儀器圖形化語(yǔ)言環(huán)境，選擇含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度、濕度復(fù)合傳感器SHT11單芯片制作傳感探頭，采用CC1100射頻收發(fā)芯片制作無線發(fā)射接收通信模塊，不需要連線便可直接探測(cè)設(shè)備內(nèi)部信號(hào)，并且以飛思卡爾公司的MC68HC08嵌入式MCU為信號(hào)處理單元，利用串口通信在上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　一、溫度、濕度無線檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

　　本套裝置選用SHT11作為溫度、濕度傳感器，應(yīng)用專業(yè)COMS過程微加工技術(shù)，結(jié)合I2C總線的結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠方便地實(shí)現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳輸與控制，其基本工作原理如圖1所示。SHT11的濕度檢測(cè)運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測(cè)電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。它集溫度傳感器與濕度傳感器于一體，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，不會(huì)由于兩傳感器之間的溫度變化梯度而產(chǎn)生誤差。另外，采用的CMOSensTM技術(shù)將模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)部。

　　由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測(cè)量準(zhǔn)確度較高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度傳感器與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。不僅將溫度、濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、標(biāo)準(zhǔn)等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度、濕度值傳給二線I2C總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號(hào)。

　　二、硬件電路部分

　　該溫度、濕度無線檢測(cè)裝置的硬件電路部分組成非常簡(jiǎn)單，基本分為三個(gè)部分:第一部分為信號(hào)發(fā)送電路;第二部分為信號(hào)接收電路;第三部分為通信電路。信號(hào)發(fā)送電路與信號(hào)接收電路都采用MC68HC08單片機(jī)接收并處理傳感器探頭獲取的信號(hào)，經(jīng)過電路調(diào)理，利用CC1100芯片通過無線天線發(fā)射(或接收)信號(hào)，整個(gè)應(yīng)用電路的無線頻率主要設(shè)定在433MHz的頻段上。至于通信電路是信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理后，通過MAX3232芯片將數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)串口 RS232，在上位計(jì)算機(jī)制作虛擬顯示儀表進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示和儲(chǔ)存等。

　　三、顯示部分

　　本套檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，制作虛擬儀表顯示面板。該溫濕度檢測(cè)虛擬系統(tǒng)利用Labview設(shè)計(jì)的配套檢定軟件，程序主體采用了條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、While循環(huán)以及VISA等功能函數(shù)，通過對(duì)串口各項(xiàng)參數(shù)的正確設(shè)置，保證數(shù)據(jù)的傳遞無誤。程序主要實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲(chǔ)，曲線、文字與數(shù)據(jù)信息通過打印機(jī)可完成打印，能夠設(shè)置記錄方式(如循環(huán)/啟動(dòng)/停止等)及記錄周期(如小時(shí)/分/秒等)，具有曲線縮放等功能。

　　四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　該檢測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)如下:

　　測(cè)量范圍:溫度為-10℃～150℃，濕度為0～100%RH;分辨率:溫度為0.1℃，濕度為0.1%RH;最大允許誤差:溫度為±0.5℃，濕度為±2%RH。

　　為驗(yàn)證該檢測(cè)系統(tǒng)是否達(dá)到其技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)JJF1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》，在溫度為20℃、濕度為42%RH的環(huán)境下，將無線傳感器與標(biāo)準(zhǔn)器精密露點(diǎn)儀(露點(diǎn)測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U=0.1℃，k=2;相對(duì)濕度測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U=1%RH，k=2)緊密捆綁并放置于濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，對(duì)兩者所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示。