專利名稱:一種寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置及其控制方法。
背景技術(shù):
目前,國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一,質(zhì)量價格都相差較大,用戶如何選擇性能價格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度。國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品,電容式濕敏元件較為多見,感濕材料種類主要為高分子聚合物,氯化鋰和金屬氧化物。電容式濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)定,國外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。但是達(dá)到上述性能的產(chǎn)品多為國外名牌,價格都較昂貴。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產(chǎn)品,往往達(dá)不到上述水平,線性度、一致性和重復(fù)性都不甚理想,30% RH以下(RH為relative humidity,即相對濕度)、80% RH以上感濕段變形嚴(yán)重。 有些產(chǎn)品采用單片機(jī)補(bǔ)償修正,但容易使?jié)穸瘸霈F(xiàn)“階躍”性的跳躍,使精度降低;同時也會導(dǎo)致一致性差、線性差的缺點(diǎn)。無論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件,長期穩(wěn)定性都不理想,多數(shù)長期使用漂移嚴(yán)重,濕敏電容容值變化為pF級,I % RH的變化不足O. 5pF,容值的漂移改變往往引起幾十RH%的誤差,大多數(shù)電容式濕敏元件不具備40°C以上溫度下工作的性能,往往容易失效和損壞。電容式濕敏元件抗腐蝕能力也較欠缺,往往對環(huán)境的潔凈度要求較高,有的產(chǎn)品還存在光照失效、靜電失效等現(xiàn)象,金屬氧化物為陶瓷濕敏電阻,具有濕敏電容相同的優(yōu)點(diǎn),但塵埃環(huán)境下,陶瓷細(xì)孔被封堵元件就會失效,往往采用通電除塵的方法來處理,但效果不夠理想,且在易燃易爆環(huán)境下不能使用,氧化鋁感濕材料無法克服其表面結(jié)構(gòu)"天然老化"的弱點(diǎn),阻抗不穩(wěn)定,金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)。氯化鋰濕敏元件的長期穩(wěn)定性其它感濕材料尚無法取代?,F(xiàn)在國內(nèi)國外的產(chǎn)品競爭得很激烈,具體還是看性能,穩(wěn)定性,以及所使用的濕度探頭,當(dāng)前,國內(nèi)傳感器廠家數(shù)量已經(jīng)非常多,但是仍然缺乏頂尖的知名品牌,高端產(chǎn)品領(lǐng)域被國外品牌占據(jù),大部分廠家聚集在低端產(chǎn)品領(lǐng)域,同時缺乏核心技術(shù),研究和生產(chǎn)脫離。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于,提供一種可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置。本發(fā)明的第二目的在于,提供一種基于上述寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置的控制方法。為了達(dá)到上述第一發(fā)明目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,包括微處理器以及與微處理器連接的濕度傳感模塊,所述濕度傳感模塊包括電容式感濕元件和NTC(負(fù)溫度系數(shù))測溫單元;所述微處理器和濕度傳感模塊采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式。
優(yōu)選的,所述電容式感濕元件為無機(jī)薄膜聚酰亞胺型感濕元件,電容式感濕元件的基片涂覆感濕材料形成感濕膜結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的,所述電容式感濕元件的電容與濕度變化O. 30pf/% RH;典型值為 117pfi55% RH。優(yōu)選的,所述NTC測溫單元包括氯化鋰和金屬氧化物半導(dǎo)電層,在半導(dǎo)電層上設(shè)置銅合金管,銅合金管上設(shè)置聚苯乙烯絕緣層。優(yōu)選的,還包括一上拉電阻,所述上拉電阻一端連接電源,另一端連接微處理器。優(yōu)選的,接線長度短于20米時用5. IkQ上拉電阻;接線長度長于20米時根據(jù)實(shí)際情況降低上拉電阻的阻值。優(yōu)選的,所述單總線數(shù)據(jù)傳輸方式一次通訊時間5ms,一次傳送40位數(shù)據(jù),高位先出。優(yōu)選的,電容式感濕元件為陽極氧化鋁外殼封裝。為了達(dá)到上述第二目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明基于上述寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置的控制方法,包括下述步驟(I)上電后要等待1S,以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令的情況,測試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù),同時傳感器的DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平;此時傳感器的DATA引腳處于輸入狀態(tài),時刻檢測外部信號;(2)微處理器與傳感器之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間 3 5ms ;(3)微處理器的I/O設(shè)置為輸出,同時輸出低電平,且低電平保持時間不小于 500us,然后微處理器的I/O設(shè)置為輸入狀態(tài),由于上拉電阻,微處理器的I/O即AM2302的 DATA數(shù)據(jù)線也隨之變高,等待傳感器作出回答信號;(4)傳感器的DATA引腳檢測到外部信號有低電平時,等待外部信號低電平結(jié)束, 延遲后傳感器的DATA引腳處于輸出狀態(tài),輸出80微秒的低電平作為應(yīng)答信號,緊接著輸出 80微秒的高電平通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),微處理器的I/O此時處于輸入狀態(tài),檢測到I/O有低電平后,即傳感器回應(yīng)信號,等待80微秒的高電平后的數(shù)據(jù)接收;(5)由傳感器的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù),微處理器根據(jù)I/O電平的變化接收40 位數(shù)據(jù);(6)傳感器的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后,繼續(xù)輸出低電平50微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài),由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖剑獳M2303內(nèi)部重測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù),等待外部信號的到來。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果I、本發(fā)明電容型濕度傳感器是采用有機(jī)高分子材料的一種新型濕度敏感元件,具有感濕范圍寬,響應(yīng)迅速,抗污染能力強(qiáng),無需加熱清洗及長期使用性能穩(wěn)定可靠等諸多特點(diǎn)。并且傳感器和其陶瓷饋通座外,其中各個與水接觸的元器件均為不銹鋼材料。具有高性價比、能耗低、較好抗污染性、快速反映時間、優(yōu)良的線性、高可靠性與長時間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、長時間飽和下快速脫濕等特點(diǎn)。2、本發(fā)明的電容型濕度傳感器模塊校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在單片機(jī)或微處理器中,傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)單總線接口,使系統(tǒng)集成變得簡易快捷;超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達(dá)20米以上,使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。3、本發(fā)明的電容型濕度傳感器模塊采用簡化的單總線通信,單總線即只有一根數(shù)據(jù)線,系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由單總線完成。設(shè)備(主機(jī)或從機(jī))通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線,以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線,而讓其它設(shè)備使用總線;單總線通常要求外接一個約5. IkQ的上拉電阻,這樣,當(dāng)總線閑置時,其狀態(tài)為高電平。由于它們是主從結(jié)構(gòu),只有主機(jī)呼叫從機(jī)時,從機(jī)才能應(yīng)答,因此主機(jī)訪問器件都必須嚴(yán)格遵循單總線序列,如果出現(xiàn)序列混亂,器件將不響應(yīng)主機(jī)。
圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例如圖I所示,本實(shí)施例一種寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,包括微處理器以及與微處理器連接的濕度傳感模塊,其特征在于,所述濕度傳感模塊包括電容式感濕元件和 NTC(負(fù)溫度系數(shù))測溫單元;所述微處理器和濕度傳感模塊采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式。所述電容式感濕元件,是一種有機(jī)高分子材料的一種新型濕度敏感元件,具有感濕范圍寬,響應(yīng)迅速,抗污染能力強(qiáng),無需加熱清洗及長期使用性能穩(wěn)定可靠等諸多特點(diǎn)。 并且具有快速反映時間、優(yōu)良的線性、高可靠性與長時間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、長時間飽和下快速脫濕等特點(diǎn),其中基于獨(dú)特工藝設(shè)計的濕敏電容元件是核心關(guān)鍵。電容與濕度變化O. 30pf/% RH ;典型值117pf@55% RH ;具有長期穩(wěn)定性及可靠性。所述電容式感濕元件體積小巧,并提供尺寸為11. 85X7. 5mm的陽極氧化招材料外殼封裝形式,7um 金屬燒結(jié)防護(hù)網(wǎng)罩為濕度傳感器提供了完善的保護(hù),使其具有不受灰塵、油污和化學(xué)氣體等環(huán)境因素的影響。電容式感濕元件是一種高性能無機(jī)薄膜聚酰亞胺型濕敏器件,采用在基片涂覆感濕材料形成感濕膜結(jié)構(gòu)電容式薄膜濕敏器件,在磁性基底上替代InSb單晶蒸鍍制作多晶膜的工藝技術(shù),降低了成本,提高了成品率。同時采用選擇性濕法刻蝕工藝,合成聚省醌自由基高聚物,過材料表面處理等技術(shù)制成,達(dá)到濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化, 使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。本實(shí)施例電容式感濕元件的工作范圍0 99% RH,-40 125°C ;供電電壓10V AC (Max);標(biāo)稱容值(25°C /60% RH) :120±10pF ;平均靈敏度(5% 95% ) 0. 30pF (MIN
O.27,MAX O. 33) % RH ;溫度效應(yīng)(25 °C ) +l°C, +0. 015pF ;功耗因數(shù)(25°C,60% RH) < O. 01濕滯回差< O. 5% RH ;線性誤差(5% 95% ) < ±1% RH ;反應(yīng)時間< 10秒; 工作頻率5k IOOkHz (推薦20kHz);恢復(fù)時間150小時結(jié)露< 20秒;長期穩(wěn)定性(年漂移量):< O. 5% RH/年。本實(shí)施例電容式感濕元件校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在單片機(jī)或微處理器中,傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)單總線接口,使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達(dá)20米以上,使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。同時單總線接口使得DATA用于微處理器與傳感器之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間5ms左右,高位先出。本實(shí)施例電容型濕度傳感器模塊采用簡化的單總線通信,單總線即只有一根數(shù)據(jù)線,系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由單總線完成。設(shè)備(主機(jī)或從機(jī))通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線,以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線,而讓其它設(shè)備使用總線; 單總線通常要求外接一個約5. IkQ的上拉電阻,這樣,當(dāng)總線閑置時,其狀態(tài)為高電平。由于它們是主從結(jié)構(gòu),只有主機(jī)呼叫從機(jī)時,從機(jī)才能應(yīng)答,因此主機(jī)訪問器件都必須嚴(yán)格遵循單總線序列,如果出現(xiàn)序列混亂,器件將不響應(yīng)主機(jī)。NTC測溫單元是包括氯化鋰和金屬氧化物半導(dǎo)電層,在半導(dǎo)電層上設(shè)置電容率和電容溫度系數(shù)小的銅合金管,銅合金管上依次設(shè)置聚苯乙烯絕緣層,使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。所述單總線數(shù)據(jù)傳輸方式一次通訊時間5ms,一次傳送40位數(shù)據(jù),高位先出。本實(shí)施例中寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置還包括一上拉電阻,所述上拉電阻一端連接電源,另一端連接微處理器,當(dāng)連線之間的距離小于20米時,所述上拉電阻為5. IkQ ;大于20米時根據(jù)實(shí)際情況降低上拉電阻的阻值。本實(shí)施例寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置的控制方法,如圖2所示,包括下述步驟(I)上電后等待1S,以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令的情況,然后測試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù),同時傳感器的DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平;此時傳感器的DATA引腳處于輸入狀態(tài),時刻檢測外部信號;(2)微處理器與傳感器之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間 3_5ms ;(3)微處理器的I/O設(shè)置為輸出同時輸出低電平,且低電平保持時間不能小于 500us,然后微處理器的I/O設(shè)置為輸入狀態(tài),等待傳感器作出回答信號;(4)傳感器檢測到外部信號有低電平時,等待外部信號低電平結(jié)束,延遲后傳感器的DATA引腳處于輸出狀態(tài),輸出80微秒的低電平作為應(yīng)答信號,緊接著輸出80微秒的高電平通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),微處理器的I/O此時處于輸入狀態(tài),檢測到傳感器回應(yīng)信號, 等待80微秒的高電平后的數(shù)據(jù)接收;(5)由傳感器的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù),微處理器根據(jù)I/O電平的變化接收40 位數(shù)據(jù);(6)傳感器的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后,繼續(xù)輸出低電平50微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài),由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖剑獳M2303內(nèi)部重測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù),等待外部信號的到來。
權(quán)利要求
1.一種寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,包括微處理器以及與微處理器連接的濕度傳感模塊,其特征在于,所述濕度傳感模塊包括電容式感濕元件和NTC測溫單元;所述微處理器和濕度傳感模塊采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,所述電容式感濕元件為無機(jī)薄膜聚酰亞胺型感濕元件,電容式感濕元件的基片涂覆感濕材料形成感濕膜結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,所述電容式感濕元件的電容與濕度變化O. 30pf/% RH ;典型值為117pf@55% RH。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,所述NTC測溫單元包括氯化鋰和金屬氧化物半導(dǎo)電層,在半導(dǎo)電層上設(shè)置銅合金管,銅合金管上設(shè)置聚苯乙烯絕緣層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,還包括一上拉電阻,所述上拉電阻一端連接電源,另一端連接微處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,接線長度短于20 米時用5. IkQ上拉電阻;接線長度長于20米時根據(jù)實(shí)際情況降低上拉電阻的阻值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,所述單總線數(shù)據(jù)傳輸方式一次通訊時間5ms,一次傳送40位數(shù)據(jù),高位先出。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置,其特征在于,所述電容式感濕元件為陽極氧化鋁外殼封裝。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置的控制方法,其特征在于,包括下述步驟(1)上電后等待1S,以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令的情況,測試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù),同時傳感器的DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平;此時傳感器的DATA引腳處于輸入狀態(tài),時刻檢測外部信號;(2)微處理器與傳感器之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間3 5ms ;(3)微處理器的I/O設(shè)置為輸出,同時輸出低電平,且低電平保持時間不小于500us,然后微處理器的I/O設(shè)置為輸入狀態(tài),由于上拉電阻,微處理器的I/O即AM2302的DATA數(shù)據(jù)線也隨之變高,等待傳感器作出回答信號;(4)傳感器的DATA引腳檢測到外部信號有低電平時,等待外部信號低電平結(jié)束,延遲后傳感器的DATA引腳處于輸出狀態(tài),輸出80微秒的低電平作為應(yīng)答信號,緊接著輸出80 微秒的高電平通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),微處理器的I/O此時處于輸入狀態(tài),檢測到I/O有低電平后,即傳感器回應(yīng)信號,等待80微秒的高電平后的數(shù)據(jù)接收;(5)由傳感器的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù),微處理器根據(jù)I/O電平的變化接收40位數(shù)據(jù);(6)傳感器的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后,繼續(xù)輸出低電平50微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài),由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖?,但AM2303內(nèi)部重測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù),等待外部信號的到來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬濕度環(huán)保型濕度傳感裝置及其控制方法,裝置包括微處理器以及與微處理器連接的濕度傳感模塊,所述濕度傳感模塊包括電容式感濕元件和NTC測溫單元;所述微處理器和濕度傳感模塊采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式。本發(fā)明采用有機(jī)高分子材料的一種新型濕度敏感元件,具有感濕范圍寬,響應(yīng)迅速,抗污染能力強(qiáng),無需加熱清洗及長期使用性能穩(wěn)定可靠等諸多特點(diǎn)。并且傳感器和其陶瓷饋通座外,各與水接觸的元器件均為不銹鋼材料,與世面上的濕敏電阻相比,有著絕對優(yōu)勢。同時本發(fā)明也具有高性價比、能耗低、較好抗污染性、快速反映時間、優(yōu)良的線性、高可靠性與長時間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、長時間飽和下快速脫濕等特點(diǎn)。
文檔編號G05D27/02GK102608173SQ201210043128
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者劉建成, 張文梅, 徐存東, 徐獻(xiàn)靈, 楊新盛, 高俊文, 龍渃春 申請人:廣東白云學(xué)院