数字式湿度计的设计

　　0　引　言

　　湿度的检测已广泛用于工业、农业、国防科技、生活等各个领域。如实验室环境,水果的保鲜,家禽的孵化过程等都需要对湿度进行监测。湿度的检测较之其他物理量的检测显得困难。湿度信息的传递必须靠水对感湿元件直接接触来完成,因此感湿元件只能暴露在待测环境中而不能密封,易于腐蚀和老化,从而丧失其原有的性能[1]。目前,湿度的电子检测大多采用湿敏传感器,其价格昂贵,易过敏,常需定时清洗。本文介绍一种根据传统的干湿球湿度计的工作原理,采用温度传感器通过单片机信号处理来实现对空气相对湿度的数字化电子检测的方法。

　　1　硬件线路设计

　　电路原理如图1所示,本线路采用两组半导体集成温度传感器AD590(图1中的IC1和IC2)组成的干、湿球温度测量电路。AD590是一种典型的电流型集成温度传感器,只需在其两端加一定电压则其输出电流随温度变化而变化,其线性电流输出为1uA/ ,即温度每变化1℃,其输出电流变化1 uA;它以热力学温标零点作为零输出,因此在0℃时,其输出电流为273.2 uA。首先,我们采用高精度电压基准集成电路(IC2:MC1403)和运算放大器(IC3:LF353)对其电流信号进行电流/电压变换,然后通过电子开关(IC4:CD4051)分时传送至A/D变换器(IC5:MC14433),再将数字信号输入单片机(IC6:AT89C51)进行计算处理,最后把检测得到的干、湿球温度和空气的相对湿度值输出到控制器和显示器,进行温度、湿度的控制和显示。

　　2　相对湿度的计算方法

　　干湿球湿度计如图2所示,水分蒸发时要消耗热量。由于湿球温度传感器外表纱布上的水分不断蒸发,它所消耗的热量来自周围的空气和湿球温度传感器外表部,因而使湿球温度传感器外表液体受到的热量减少,湿球温度比干球温度要低一些。水分蒸发的速度是随着空气的湿度而改变的。空气愈干燥,即湿度愈小,蒸发愈快,干湿球温度值相差愈大;反之,湿度愈大,蒸发愈慢,干湿球温度值相差愈小。

　　由热力学的有关原理可知,相对湿度与干湿球的温度关系为[2]。

　　式中:E′t、Et分别为湿球和干球温度下的饱和水蒸气压;T1、T2分别为干球温度和湿球温度;A为湿度系数;P为大气压力。

　　可见,只有测出干、湿球传感器的温度值,则可由上式得到此时的相对湿度。但式中的E′t、Et是湿球温度T2和干球温度的T1函数,计算较复杂。我们可用湿度查算表(表1),方便地推算出相对湿度的大小。

　　单片机的软件计算方法,可采用查表法来实现,但是用这种方法要求查算表所占用的程序存储器(ROM)空间较大。我们采用插值法来代替单纯查表法,以减少标定点,对标定点之间的数据采用简单的线性插值计算来减少误差,提高精度。具体方法如下: