基于虛擬儀器技術的溫度、濕度無線檢測系統的研究

　　環境試驗設備和高溫高壓滅菌裝置是保證產品質量以及人民健康免受病菌侵害不可或缺的試驗設備，溫度、濕度的控制在環境試驗設備中起著相當重要的作用。隨著各行業溫濕度檢測需求的增加，要求相應的檢測、驗證手段必須不斷提高和完善。一些傳統的計量檢測儀器和方法無法滿足某些特殊環境下的測量要求。為了確保環境試驗設備溫度、濕度檢測的可靠性，必須采用特定的技術對該類環境試驗設備溫度、濕度測量的準確性進行檢驗和驗證。

　　該檢測系統基于NI公司推出的Labview虛擬儀器圖形化語言環境，選擇含有已校準數字信號輸出的溫度、濕度復合傳感器SHT11單芯片制作傳感探頭，采用CC1100射頻收發芯片制作無線發射接收通信模塊，不需要連線便可直接探測設備內部信號，并且以飛思卡爾公司的MC68HC08嵌入式MCU為信號處理單元，利用串口通信在上位計算機進行數據處理。

　　一、溫度、濕度無線檢測系統的工作原理

　　本套裝置選用SHT11作為溫度、濕度傳感器，應用專業COMS過程微加工技術，結合I2C總線的結構、工作原理、數據傳輸方式，能夠方便地實現芯片間的數據傳輸與控制，其基本工作原理如圖1所示。SHT11的濕度檢測運用電容式結構，并采用具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統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，測量準確度較高，不會由于兩傳感器之間的溫度變化梯度而產生誤差。另外，采用的CMOSensTM技術將模數轉換、信號放大、標準I2C總線以及校準數據存儲器集成在一個芯片內部。

　　由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起而構成了一個單一的個體，因而測量準確度較高且可精確得出露點，同時不會產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、濕度傳感器結合在一起，而且還將信號放大器、模/數轉換器、標準等電路全部集成在一個芯片內。SHT11傳感器的校準系數預先存在OTP內存中。經校準的相對濕度和溫度傳感器與一個14位的A/D轉換器相連，可將轉換后的數字溫度、濕度值傳給二線I2C總線器件，從而將數字信號轉換為符合I2C總線協議的串行數字信號。

　　二、硬件電路部分

　　該溫度、濕度無線檢測裝置的硬件電路部分組成非常簡單，基本分為三個部分:第一部分為信號發送電路;第二部分為信號接收電路;第三部分為通信電路。信號發送電路與信號接收電路都采用MC68HC08單片機接收并處理傳感器探頭獲取的信號，經過電路調理，利用CC1100芯片通過無線天線發射(或接收)信號，整個應用電路的無線頻率主要設定在433MHz的頻段上。至于通信電路是信號經過單片機處理后，通過MAX3232芯片將數據傳入PC機串口 RS232，在上位計算機制作虛擬顯示儀表進一步進行數據的處理、顯示和儲存等。

　　三、顯示部分

　　本套檢測系統應用虛擬儀器技術，制作虛擬儀表顯示面板。該溫濕度檢測虛擬系統利用Labview設計的配套檢定軟件，程序主體采用了條件結構、順序結構、While循環以及VISA等功能函數，通過對串口各項參數的正確設置，保證數據的傳遞無誤。程序主要實現了溫度、濕度數據處理、顯示與存儲，曲線、文字與數據信息通過打印機可完成打印，能夠設置記錄方式(如循環/啟動/停止等)及記錄周期(如小時/分/秒等)，具有曲線縮放等功能。

　　四、實驗驗證

　　該檢測系統總體技術指標如下:

　　測量范圍: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。

　　為驗證該檢測系統是否達到其技術指標，根據JJF1076-2001《濕度傳感器校準規范》，在溫度為20℃、濕度為42%RH的環境下，將無線傳感器與標準器精密露點儀(露點測量的擴展不確定度U=0.1℃，k=2;相對濕度測量的擴展不確定度U=1%RH，k=2)緊密捆綁并放置于濕熱試驗箱內，對兩者所測得的數據進行比較，其結果如表1所示。