论文部分内容阅读
摘 要： 本文介绍了一种微小型密封容器内温湿压检测装置的结构设计、结构密封设计，电气硬件设计、软件设计，该设计满足某密封容器内对温湿压物理参数的测量及显示。
关键词： 温湿压计；检测装置；密封性能；显示屏；微小型
1.引言
某密封容器内需对其温度、湿度、压力进行测量，测量范围及精度分别为：
温度：-45℃～+65℃ 测量精度误差：±0.5℃；
湿度： 0～100%RH 测量精度误差：±3%RH；
壓力30kPa～150kPa 测量精度误差：±0.5kPa
以往测量时，须打开温湿压测量口盖，将温湿压计放进去，再读取参数。这样做存在两个问题，一个是测量时要放气，这样测量的结果不能真实反映容器内的状况，二是在测量完后，还要充气，导致测量容器内温湿压工作很繁琐。基于上述两个问题，设计出一种微小型温湿压计及检测装置，便于对密封容器内的温度、湿度、压力随时监测。
2.工作原理
温湿压敏感及检测系统包括温湿压敏感头、信号放大模块、AD采集模块、单片机中心控制模块、显示模块、9V电源供给模块、电源变换模块组成。温湿压敏感及检测系统模块的原理如图1所示。
温湿压敏感头敏感到的温度、湿度、压力信号转换为小电压信号，经信号放大模块放大至0V～5V的电压信号，并送到A/D模块进行模数转换，将转换结果通过SPI口传送给STC90C51单片机，单片机将读取的数据通过通讯口传送给OLED显示屏。电源采用可充电9V干电池，由于所有器件工作电源为5V，采用78L05进行电源变换。当合上K1开关时，所有器件工作，显示屏显示测量的筒内温湿压测量值，当合上开关K2时，显示屏显示当前压强值及湿度值转换为20℃时的值。
3.温湿压计硬件选型及设计
3.1.AD模块的选择
AD模块选用XPT2046，主要是基于XPT2046被广泛应用于AD采集及触摸屏制作中，工作稳定，所以在此方案中选用XPT2046作为A/D模数转换用。
3.2.单片机的选择
方案一采用传统的STC90C516RD+作为控制核心，并且是国产，单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
方案二：采用FTC10F04单片机，还带有非易失性Flash程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。其主要特点如下：8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，数据保存10年。
方案一成本比较低，适合做设计，方案二运算速度高，性能好，所以两种方案都有可取之处。此处采用方案一。
3.3.显示模块的选择
方案一：使用液晶显示屏显示温度、湿度、压力具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。
但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。
方案二：OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode） ，又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display， OELD）具备轻薄、省电、超强兼容性、等特性，因此 OLED 屏幕却具备了许多 LCD 不可比拟的优势。
目前 OLED 显示屏广泛用于手机、MP3、工控显示设备上，具有亮度高、显示精度高、功耗低等特点。
根据以上的论述，采用方案二。在本系统中，我们采用了OLED显示系统。
4.软件设计
软件采用C及汇编语言联合编制，软件流程图如图2所示。注释量不少于30%。涉及的模块有通讯模块、I/O口检测模块、液晶屏显示模块、A/D数据采集模块、系数计算模块、延时模块。
5.温湿压计结构设计
温湿压计结构如图3所示。温湿压计安装在密封容器上，内分两层，分别安装单片机中心控制模块和转换模块。温湿压计的结构设计时需同步考虑产品的密封，采用温湿压计本体与容器之间的密封以及温湿压计里层与外层之间的密封形式来保证温湿压计安装后整个密封容器的气密性。
6.理论计算
6.1.采集精度计算
A/D采集芯片为12位工作方式，换算成十进制的数值范围是0～4095，一个数字为1.2mV，传感器输出电压为0V～2V，则2V/1.2mV约可表征1666个数字，由传感器的采集范围及采集精度计算得温度需用200个数字、湿度需用33个数字、压力需用240个数字表征，所以采集精度满足要求。
6.2.电源供给容量计算
9V碱性电池放电至4.8V的话，电流25mA，容量约600mAh；电流100mA，容量约400mAh；电流300mA，容量约300mAh；电流500mA，容量约200mAh。经查，除显示屏工作标准电流为10mA～160mA，传感器电流为10mA左右，按使用传感器装置测量温湿压电池放电100mA计算，电池可工作4h，按每个密封容器每次测量3min计算，一个9V干电池可测量80个密封容器，所以电池容量满足使用要求。
6.3. 将某温度下得大气压及湿度转换成20℃的大气压及湿度计算方法
6.3.1.大气压转换方法
大气压转换按照理想气体方程：P20V/T20= PTV/TT，其中V相同，所以，将某温度下的压强转换成20℃的压强，按P20=PT*20/TT进行计算即可。
6.3.2.湿度转换方法
由于湿度测量的是相对湿度T，所以在转换时，须首先计算出该温度下的水汽气压，经查不同温度下饱和水汽压可得该温度时的饱和水汽压，将该饱和水汽压乘以此时的湿度，得到该温度下的绝对水汽压，再利用理想气体状态方程，换算成20℃的绝对水汽压，将该绝对水汽压除以20℃的饱和水汽压，即换算成20℃的湿度值。
7.结束语
本文介紹了一种密封容器内微小型温湿压计及测量装置的软硬件及结构设计，该检测装置实现了方便测量密封容器内温度湿度压力的测量，据有体积小、操作方便等特点。■
参考文献
[1] 《传感器》 强锡富编 机械工业出版社 2013.
[2] 《MCS-51系列单片机系统及其应用》 蔡美琴，张为民，沈新群，张荣娟编，高等教育出版社，2003年.
[3] 《现代检测技术与系统》 蔡萍，张辉编，高等教育出版社，2002年.
关键词： 温湿压计；检测装置；密封性能；显示屏；微小型
1.引言
某密封容器内需对其温度、湿度、压力进行测量，测量范围及精度分别为：
温度：-45℃～+65℃ 测量精度误差：±0.5℃；
湿度： 0～100%RH 测量精度误差：±3%RH；
壓力30kPa～150kPa 测量精度误差：±0.5kPa
以往测量时，须打开温湿压测量口盖，将温湿压计放进去，再读取参数。这样做存在两个问题，一个是测量时要放气，这样测量的结果不能真实反映容器内的状况，二是在测量完后，还要充气，导致测量容器内温湿压工作很繁琐。基于上述两个问题，设计出一种微小型温湿压计及检测装置，便于对密封容器内的温度、湿度、压力随时监测。
2.工作原理
温湿压敏感及检测系统包括温湿压敏感头、信号放大模块、AD采集模块、单片机中心控制模块、显示模块、9V电源供给模块、电源变换模块组成。温湿压敏感及检测系统模块的原理如图1所示。
温湿压敏感头敏感到的温度、湿度、压力信号转换为小电压信号，经信号放大模块放大至0V～5V的电压信号，并送到A/D模块进行模数转换，将转换结果通过SPI口传送给STC90C51单片机，单片机将读取的数据通过通讯口传送给OLED显示屏。电源采用可充电9V干电池，由于所有器件工作电源为5V，采用78L05进行电源变换。当合上K1开关时，所有器件工作，显示屏显示测量的筒内温湿压测量值，当合上开关K2时，显示屏显示当前压强值及湿度值转换为20℃时的值。
3.温湿压计硬件选型及设计
3.1.AD模块的选择
AD模块选用XPT2046，主要是基于XPT2046被广泛应用于AD采集及触摸屏制作中，工作稳定，所以在此方案中选用XPT2046作为A/D模数转换用。
3.2.单片机的选择
方案一采用传统的STC90C516RD+作为控制核心，并且是国产，单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
方案二：采用FTC10F04单片机，还带有非易失性Flash程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。其主要特点如下：8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，数据保存10年。
方案一成本比较低，适合做设计，方案二运算速度高，性能好，所以两种方案都有可取之处。此处采用方案一。
3.3.显示模块的选择
方案一：使用液晶显示屏显示温度、湿度、压力具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。
但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。
方案二：OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode） ，又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display， OELD）具备轻薄、省电、超强兼容性、等特性，因此 OLED 屏幕却具备了许多 LCD 不可比拟的优势。
目前 OLED 显示屏广泛用于手机、MP3、工控显示设备上，具有亮度高、显示精度高、功耗低等特点。
根据以上的论述，采用方案二。在本系统中，我们采用了OLED显示系统。
4.软件设计
软件采用C及汇编语言联合编制，软件流程图如图2所示。注释量不少于30%。涉及的模块有通讯模块、I/O口检测模块、液晶屏显示模块、A/D数据采集模块、系数计算模块、延时模块。
5.温湿压计结构设计
温湿压计结构如图3所示。温湿压计安装在密封容器上，内分两层，分别安装单片机中心控制模块和转换模块。温湿压计的结构设计时需同步考虑产品的密封，采用温湿压计本体与容器之间的密封以及温湿压计里层与外层之间的密封形式来保证温湿压计安装后整个密封容器的气密性。
6.理论计算
6.1.采集精度计算
A/D采集芯片为12位工作方式，换算成十进制的数值范围是0～4095，一个数字为1.2mV，传感器输出电压为0V～2V，则2V/1.2mV约可表征1666个数字，由传感器的采集范围及采集精度计算得温度需用200个数字、湿度需用33个数字、压力需用240个数字表征，所以采集精度满足要求。
6.2.电源供给容量计算
9V碱性电池放电至4.8V的话，电流25mA，容量约600mAh；电流100mA，容量约400mAh；电流300mA，容量约300mAh；电流500mA，容量约200mAh。经查，除显示屏工作标准电流为10mA～160mA，传感器电流为10mA左右，按使用传感器装置测量温湿压电池放电100mA计算，电池可工作4h，按每个密封容器每次测量3min计算，一个9V干电池可测量80个密封容器，所以电池容量满足使用要求。
6.3. 将某温度下得大气压及湿度转换成20℃的大气压及湿度计算方法
6.3.1.大气压转换方法
大气压转换按照理想气体方程：P20V/T20= PTV/TT，其中V相同，所以，将某温度下的压强转换成20℃的压强，按P20=PT*20/TT进行计算即可。
6.3.2.湿度转换方法
由于湿度测量的是相对湿度T，所以在转换时，须首先计算出该温度下的水汽气压，经查不同温度下饱和水汽压可得该温度时的饱和水汽压，将该饱和水汽压乘以此时的湿度，得到该温度下的绝对水汽压，再利用理想气体状态方程，换算成20℃的绝对水汽压，将该绝对水汽压除以20℃的饱和水汽压，即换算成20℃的湿度值。
7.结束语
本文介紹了一种密封容器内微小型温湿压计及测量装置的软硬件及结构设计，该检测装置实现了方便测量密封容器内温度湿度压力的测量，据有体积小、操作方便等特点。■
参考文献
[1] 《传感器》 强锡富编 机械工业出版社 2013.
[2] 《MCS-51系列单片机系统及其应用》 蔡美琴，张为民，沈新群，张荣娟编，高等教育出版社，2003年.
[3] 《现代检测技术与系统》 蔡萍，张辉编，高等教育出版社，2002年.