一種SF6氣體的露點檢測系統(tǒng)的設計

總體設計思路

露點的測量方法有直接測量和間接測量兩種方法，由于露點直接測量價格高，工業(yè)無法承受，現(xiàn)采用間接測量的方法，將露點的測量轉(zhuǎn)化為溫度和濕度的測量。本設計是利用高分子材料濕度傳感器測量露點，將六氟化硫的露點測量的特點與濕度傳感器的性質(zhì)結(jié)合起來。

在電路設計方面，由濕敏電容與555定時器組成振蕩電路，利用振蕩電路的輸出頻率電信號與電容容量的關系，實現(xiàn)濕度信號轉(zhuǎn)化為頻率。由智能溫度傳感器DSl8B20組成的電路來測量溫度。將得來的溫濕度信號由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)控制，最終實現(xiàn)六氟化硫氣體的露點測量。設計的整體框圖如圖1所示。

硬件設計

溫度測量

在設計過程中選用了美國Dallas公司最新推出的DSl8B20數(shù)字式智能溫度傳感器，它是單線數(shù)字式測溫芯片，它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。而且采用了三線制與單片機相連，將測溫部分與A／D轉(zhuǎn)換于一體，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。

單線式數(shù)字溫度傳感器DSl8B20測溫范圍為－55～125℃，精度為±2℃，而在－10～85℃范圍內(nèi)，精度為±O.5℃。

DSl8820可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式(電源電壓范圍為3.O～5.5V)，此時DSl8820的腳1接地，腳2作為信號線，腳3接電源。另一種是寄生電源供電方式，在本課題中采用電源供電的方式。

DSl8820溫度傳感器與單片機連接電路如圖2所示。

濕度測量

SF6高壓電器要求SF6的濕度相當?shù)汀Ｒ话愕膫鞲衅麟y于達到測量低濕的要求。對于低濕測量(在30％以下)使用電容式濕度傳感器為宜。

濕敏電容是由高分子材料作為基底，在其上下表面蒸鍍一薄層微孔電極，構(gòu)成一個平行板電容器；當氣體的相對濕度發(fā)生變化時高分子材料的介電常數(shù)隨著改變，導致濕敏電容的容量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)相對濕度△x％RH。

Humirel公司的電容式濕度傳感器，工作范同寬(1％～99％RH)，線性度好，響應時間短(典型值10s)，可以工作于－40～100℃，具有較高的可靠性和長期的穩(wěn)定性，其典型的標稱電容值為180PF(55％RH)，推薦溫度系數(shù)為0.04PF／℃。高分子薄膜電容式濕度傳感器的敏感量為相對濕度。

在設計中，為將濕敏電容容量的變化轉(zhuǎn)化為電信號，采用了一片555定時器。555定時器電路是一種雙極型集成電路，由于它的結(jié)構(gòu)獨特，只要在外部引腳配上適當?shù)淖枞菰憧蓸?gòu)成脈沖產(chǎn)生與變換電路，因此被應用廣泛。

555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器與單片機的連接電路如圖3所示。

由濕敏電容與555振蕩器的連接電路圖，振蕩器的頻率輸出與濕度的關系式，表1給出了二者之間的關系。

控制和顯示單元

單片機系統(tǒng)中，使用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD(液晶顯示器)。LCD是一種被動式顯示器，由于它的功耗極低、抗干擾能力強，因而在低功耗的單片機系統(tǒng)中大量使用。鑒于上述的原因，使用LCD顯示。

Motorola公司生產(chǎn)的MCl4543芯片是一種常用的LCD鎖存／譯碼／驅(qū)動電路。MCl4543使用十分的簡單，只要在LE端加高電壓，BI加低電平，Ph端輸入方波，A、B、C、D輸入BCD碼，則在譯碼筆形輸出端就會輸出與Ph同相或反相的方波驅(qū)動對應的液晶筆畫亮或暗，從而顯示出數(shù)字。LCD與單片機接口如圖4所示。

方波發(fā)生器由集成電路CD4060和諧振頻率為30720Hz的晶振等元件組成。cI)4060是14位二進制串行計數(shù)、分頻器和振蕩器。本電路采用外接30720Hz的晶振來組成晶體振蕩器，其振蕩信號經(jīng)CI)4060內(nèi)部9次分頻后，在Q9端輸出準確的60Hz頻率信號。方波發(fā)生器的構(gòu)成電路如圖5所示。

軟件設計

硬件電路完成以后，開始進行系統(tǒng)軟件設計。進行軟件的總對獨立的模塊。接著畫出每一個專用程序模塊的詳細流程圖，并選擇合適的語言編寫程序，最后按照軟件總體設計時給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊連接成一個完整的程序。

按照系統(tǒng)控制功能要求，確定了系統(tǒng)軟件的主要功能有：系統(tǒng)初始化、采集傳感器輸出的溫度、濕度信號、對采集后的數(shù)據(jù)進行處理、計算露點等、顯示數(shù)據(jù)等。按照軟件功能要求，給出了程序總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖6所示。

按照程序總體結(jié)構(gòu)進行模塊化設計，其中DSl8820溫度傳感器的程序設計流程如圖7所示。

結(jié)束語

采用間接測量方法是.T.業(yè)露點控制的發(fā)展方向，但如何在低濕區(qū)提高露點的測量精度，還有待進一步研究。因為這樣可以擴大露點控制器的使用范圍，就可以改造一大批低露點的測試儀器，具有寬廣的市場前景。