杜海龍，張靖宇，王啟鑫，莫浩杰

（1.中國(guó)民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；3.中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，溫濕度測(cè)量越來(lái)越重要，將測(cè)量的環(huán)境溫濕度作為輸入，通過(guò)環(huán)境控制系統(tǒng)的計(jì)算與輸出，可為電子設(shè)備及儀器的正常運(yùn)行，冷鏈運(yùn)輸?shù)谋ｕr，倉(cāng)儲(chǔ)糧食、藥品的安全等提供重要保障[1-6]。在這一過(guò)程中，測(cè)量精度是閉環(huán)系統(tǒng)工作效果的重要影響因素。本文采用具有高精度的SHT75傳感器[7]和高速32位單片機(jī)STM32F405制作溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，在確保測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)的響應(yīng)速度提供保證[8]。

1 硬件設(shè)計(jì)

面向現(xiàn)時(shí)段溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的整體布局，采用瑞士盛世瑞恩公司出品的SHT75數(shù)字式溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集部分，將意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）集團(tuán)出品的STM32F405作為處理器部分，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸至顯示設(shè)備。本系統(tǒng)的顯示設(shè)備選用PC機(jī)，或者使用獨(dú)立的顯示模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 溫濕度傳感器

瑞士盛世瑞恩公司出品的SHT75數(shù)字式溫濕度傳感器符合高可靠性與持續(xù)穩(wěn)定等要求，制作工藝精密，能夠?qū)鞲袉挝缓蛿?shù)據(jù)處理小塊集成在一個(gè)微型電路板中，兼具測(cè)溫和測(cè)濕功能，此外，與之對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口可與其完美貼合。雖然傳感器電路上集成有很多功能單位和元件，但其制造成本低廉，具有極高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

考慮到測(cè)量環(huán)境以及測(cè)量方式，傳感器元件中集成的傳感元件對(duì)集成環(huán)境具有特殊要求，如測(cè)濕單元需集成在一個(gè)精致的濕度小腔體內(nèi)?？紤]到用戶(hù)后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的需求，可選用OPT存儲(chǔ)器存放精確實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)系數(shù)。傳感器接口除了必要的電源和接地端外，只有兩線串行接口，通信便捷，在運(yùn)行過(guò)程中配合電壓精確調(diào)節(jié)模塊，使得測(cè)試過(guò)程更加迅速、穩(wěn)定[9]。

傳感器采用的環(huán)氧樹(shù)脂LCP蓋下層為FR4針，由銅鈹制成，鍍鎳和金。傳感器符合ROHS和WEEE標(biāo)準(zhǔn)，因此不受Pb、Cd、PBDE的影響。雖然傳感器電路上集成有很多功能單位和元件，但因其體積小，價(jià)格低，因此使用較為廣泛。SHT75外形尺寸如圖2所示。

圖2 SHT75傳感器外形尺寸

1.2 單片機(jī)

STM32F405系列單片機(jī)擁有高達(dá)4 mm×4.2 mm的高集成度、高性能、嵌入式存儲(chǔ)器和外設(shè)，與提供168 MHz的Cortex-M4內(nèi)核（帶浮點(diǎn)單元格）。DSP命令和浮點(diǎn)單位擴(kuò)大了用戶(hù)的使用寬度。該系列單片機(jī)擁有90 nm工藝和具有動(dòng)態(tài)功率調(diào)整功能的ART加速器，工作模式下的消耗[10]為238 μA/MHz。

1.3 PCB設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整和布局，設(shè)計(jì)出符合要求的單片機(jī)模塊印刷電路板，它包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、外接傳感器接口（4線制的I2C）、顯示模塊接口（UART串口）。PCB板規(guī)格為15 cm×15 cm，如圖3所示。

圖3 PCB設(shè)計(jì)電路板

2 軟件設(shè)計(jì)

溫濕度測(cè)量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于軟件設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的計(jì)算、補(bǔ)償、校準(zhǔn)和傳輸。溫濕度測(cè)量流程如圖4所示。

圖4 溫濕度測(cè)量流程

2.1 單片機(jī)與傳感器通信

SHT75的串行接口針對(duì)傳感器信號(hào)獲取和功率消耗問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。傳感器雖然無(wú)法根據(jù)I2C規(guī)則尋找地址，但如果I2C總線未連接到其他組件，則傳感器可以承接I2C總地址線，同時(shí)，微控制器必須遵循傳感器規(guī)則。

讀取數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)先向傳感器發(fā)送讀取命令，等待傳感器測(cè)量完畢后，將數(shù)據(jù)分為高有效字節(jié)與低有效字節(jié)，并將低有效位和校驗(yàn)和發(fā)送至單片機(jī)。傳感器測(cè)量時(shí)序如圖5所示。

圖5 測(cè)量時(shí)序

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 濕度信號(hào)的非線性補(bǔ)償

濕度的非線性補(bǔ)償需要參考準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)值，可通過(guò)公式（1）進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換：

濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換公式相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換公式相關(guān)參數(shù)

2.2.2 濕度信號(hào)的溫度補(bǔ)償

由于事實(shí)溫度和測(cè)試標(biāo)定溫度25 ℃（77℉）顯著不同，因此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償：

溫度補(bǔ)償系數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 溫度補(bǔ)償系數(shù)

2.2.3 計(jì)算溫度

PTAT開(kāi)發(fā)的溫度傳感器具有優(yōu)異的線性度。數(shù)字輸出（SOT）可以使用下式轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)：

溫度轉(zhuǎn)換公式相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 溫度轉(zhuǎn)換公式相關(guān)系數(shù)

2.2.4 計(jì)算露點(diǎn)

SHT75無(wú)法直接測(cè)量露點(diǎn)溫度，但可通過(guò)溫濕度讀數(shù)計(jì)算露點(diǎn)。

在同一集成電路上測(cè)量的溫度和濕度可用于獲取露點(diǎn)。露點(diǎn)計(jì)算方法非常多，但大多數(shù)都極其復(fù)雜，因此可以通過(guò)下式獲得更好的精度：

露點(diǎn)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4所列。

表4 露點(diǎn)（Td）計(jì)算參數(shù)

3 系統(tǒng)調(diào)試

為了使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更加可靠、高效，必須進(jìn)行不斷調(diào)試。本系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)節(jié)包括對(duì)傳感器收集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算、調(diào)試，以及其他模塊的初步調(diào)節(jié)。

3.1 SHT75采集數(shù)據(jù)的修正

SHT75采集的數(shù)據(jù)并不是可直接利用的溫濕度數(shù)據(jù)，而是8位二進(jìn)制數(shù)，所以需要利用公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，另外濕度方面還需考慮溫度對(duì)其的影響，進(jìn)行補(bǔ)償。露點(diǎn)溫度在前兩者的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)公式轉(zhuǎn)化和處理后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得連續(xù)的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由電腦軟件（串口助手）顯示，但其只能顯示十六進(jìn)制數(shù)值，所以獲取的結(jié)果需通過(guò)單位換算得到。對(duì)獲取的數(shù)值進(jìn)行進(jìn)制換算和整理后得到的修正后數(shù)據(jù)見(jiàn)表5所列。

表5 修正后數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)室在較短時(shí)間內(nèi)環(huán)境變化較小，所以連續(xù)測(cè)量得到的結(jié)果未發(fā)生較大波動(dòng)，加之傳感器測(cè)量的是局部溫濕度，因此結(jié)果不能代表整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境特性。為了驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)選用一個(gè)溫濕度測(cè)量器件作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，在比對(duì)過(guò)程中，基準(zhǔn)元件和試驗(yàn)元件均處在同一測(cè)量環(huán)境中，以保證測(cè)量對(duì)象統(tǒng)一。用上述數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)誤差處在要求范圍內(nèi)，調(diào)試正常。

3.2 系統(tǒng)整體調(diào)試

為了查看傳感器測(cè)量的反應(yīng)速度，將人為改變傳感器附近的溫濕度。用手掌握住傳感器后再松開(kāi)，反復(fù)測(cè)試（人體在接觸傳感器或站在傳感器附近時(shí)，可以快速引起附近溫度的上升，并且受手掌汗腺的影響，傳感器附近的濕度也會(huì)快速發(fā)生變化）。測(cè)量包括兩組：一組5 s握放，另一組10 s握放。觀察其變化并記錄，第一組每500 ms記錄一次，第二組每1 s記錄一次，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6、表7所列。

表6 第一組整體調(diào)試的數(shù)據(jù)（5 s握放）

表7 第二組整體調(diào)試的數(shù)據(jù)（10 s握放）

經(jīng)過(guò)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)所測(cè)結(jié)果與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致，且反應(yīng)時(shí)間符合系統(tǒng)的要求，調(diào)試達(dá)到預(yù)期。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于傳感器SHT75與單片機(jī)STM32的數(shù)字式溫濕度測(cè)量系統(tǒng)工作正常，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了算法的可行性和有效性，通過(guò)對(duì)比可知，其溫度測(cè)量的精度為±0.3 ℃，其濕度測(cè)量的精度為±1.8%RH，最大溫度誤差為±1.57 ℃，25 ℃時(shí)最大相對(duì)濕度誤差為±4%RH。該測(cè)量系統(tǒng)具有精度高、誤差小、性能穩(wěn)定和布置靈活等特點(diǎn)。