3 　2004 年 第 23 卷 第 9 期 　　　　　　　　　　传感器技术 (Journal of Transducer Technology) 75 电容式湿度传感器设计 张 　勃1 , 屈保中2 (1. 漯河职业技术学院 计算机系 ,河南 漯河 462002 ; 2. 河南工业职业技术学院 河南 南阳 473009) 摘 　要 : 电容式湿度传感器是以高分子湿度湿敏电容器为基本感湿元件 ,利用单片机对测量结果进行分 析处理 、显示和远距离传输 ,测量准确度达 ±2. 5 %。 关键词 : 电容式湿度传感器 ; 转换电路 ; 相对湿度 中图分类号 : TD67 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 1000 - 9787 (2004) 09 - 0057 - 02 Design of capacitive humidity sensor ZHAN G Bo1 , QU Bao zhong2 ( 1. Dept of Computer ,Luohe Polytechnic Institute ,Luohe 462002 ,China ; 2. Henan Polytechnic Institute , Hanyang 473009 ,China) Abstract: Capacitive humidity sensor uses macromolecular humidity sensitive capacitor as basic humidity component. The single chip processor is used to analyze ,calculate ,display and transmit the measurement result , measurement accuracy is ±2. 5 %. Key words : capacitive humidity sensor ; thansformation circuit ; relative humidity(RH) 　　高分子电容式湿度传感器属电参数型传感 ,其输出量 为电容值 ,传感器的相对容值 C/ C0 与相对湿度 %RH 成 正比关系 ,受温度的影响较小 。在应用中需将电容值转换 为易于识别的电信号 ,考虑到功耗问题 ,转换电路采用低功 耗的 CMOS 电路 ,图 2 是转换电路及其输出波形 。 0 　引 　言[ 1 ] 湿度测量和控制广泛应用于日常生活和工业过程 ,高分 子电容式湿度传感器具有响应速度快、线性好、重复性好、测 量范围宽、尺寸小等优点 ,但是 ,传感器的输出是电容值 ,不 能直接显示和传输。为使湿度测量和控制智能化 ,便于总线 测量 ,利用单片机和 HART 变送器设计电容式湿度传感器。 对电容式湿度传感器的技术要求有 : (1) 准确度在 2. 5 %以内 ; (2) 能进行双向数字通信 ; (3) 具有自诊断和远程诊断功能 ; (4) 具备查询功能 ; (5) 能 保存数据 。 从而极大地提高了湿度测量的自动化程度 ,有着广阔 的应用前景 。 1 　电容式湿度传感器[ 2 ,3 ] 1. 1 　硬件电路设计 电容湿度传感器硬件电路由湿敏电容器 、转换电路 、 E2 PROM 、单片机 、调制解调器 HT2012 、带通滤波器及波形 滤波器等组成 ,结构框图见图 1 。 图 1 　硬件电路 Fig 1 　Hardware circuit 收稿日期 :2004 - 03 - 24 基金项目 :河南省科技攻关项目 (0324210012) 图 2 　转换电路及其输出波形 Fig 2 　Transformation circuit and output waveform of transformation circuit 

85　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 　感 　器 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 23 卷 　　图中 ,C 为电容式湿度传感器 , U 1 的脉冲宽度为 t1 = k1 C1 , 式中 　t1 为脉冲宽度 , ms; t1 为比例系数 ; C1 为电容值 , p F ; 化方法处理 ,对于相对湿度低于 10 %RH 或高于 90 %RH 的情况 ,也按此方法顺延推算 ,若测量结果按理论推算超出 100 %RH ,则按粗大误差处理 。 传感器在检测到上位机的信号后 ,将最近一次得测量 U 2 的脉冲宽度为 t2 = kC = k ( C0 +ΔC) , 值向上位机传送 。 2 　测试结果 式中 　t2 为脉冲宽度 , ms; k 为比例系数 ; C 为湿敏电容器 电容值 ,p F ; C0 为湿敏电容器在相对湿度 0 %RH ,温度为 25 ℃时的电容值 ,p F ; ΔC 为湿敏电容器在相对湿度 0 %RH 时的电容值改 变量 , p F。 调节 可 变 电 阻 器 RP 使 得 在 相 对 湿 度 0 % RH 时 (25 ℃) , t1 = t2 ,即 k1 C1 = kC0 ,当湿度增加时 , t2 增加 , U 3 的脉冲宽度 t3 = t2 - t1 = kΔC ,即 t3 与ΔC 成正比 ,也即与 相对湿度 %RH 成正比 。 通过测量脉冲宽度即可知道相对湿度的高低 ,利用单 片机内部计数器 T0 ,测量 t3 的脉冲宽度 ,通过查表法得到 相应的相对湿度 %RH。 单片机采用 Philips 的自带 Flash ROM 的 P89C52 ,完 成数据采样 、数据分析 、地址码设定和数据通信等功能 ,是 电容式湿度传感器的管理中心 。 调制解调器 HT2012 是 SMAR 生产的适用于 HAR T 协议物理层的调制解调器 ,符合 Bell 202 标准 ,其工作方式 为半双工通信方式 ,工作时钟频率为 460. 8 kHz。 1. 2 　湿敏电容器特性 湿敏电容器的感湿材料是固态高分子聚合物 ,具有全 互换性 、在标准环境下不需校正 、长时间饱和下快速脱湿 、 高可靠性 、长时间稳定性和快速反应等特点 。 1. 3 　电容式传感器数据处理 通电后 ,传感器首先检测是否有脉冲信号及脉冲宽度 是否在有效值范围内 ,判断前向通道工作 (即湿敏电容器和 转换电路工作) 是否正常 ,实现传感器的自我诊断 ,不正常 , 则报警提示 ,显示出错信息 。 以 DM500 高精度 SAW 湿度/ 露点测量仪与所设计的 传感器对同一试样进行对比测量 ,结果见表 1 。 表 1 　测试数据 Tab 1 　Measurement data sheet 　 相对湿度 ( %RH) 理论值 0 测试值 0 准确度 ( %) 0 理论值 50 10 20 30 40 10. 03 20. 05 30. 04 39. 93 0. 30 0. 25 0. 13 - 0. 18 60 70 80 90 测试值 49. 90 60. 06 70. 33 81. 20 92. 20 准确度 ( %)- 0. 20 0. 10 0. 47 1. 50 2. 44 　　由于单片机的测量精度为 δ= ±12 FOSC ×65 536 = ± 12 12 ×65 536 ≈ ±0. 000 015 , 式中 　FOSC为晶振频率 , MHz ,由于 δ很小 ,可以忽略 ,因 此 ,该传感器的准确度主要取决于湿敏电容器和转换电路 。 从表 1 的测试结果可以看出 :该传感器的测量准确度 可达到 ±2. 5 %以内 。 3 　结 　论 经测试 ,该智能电容式湿度传感器符合 HAR T 的技术 规范 ,可直接挂接在通信总线上 ,无需考虑传感器的信号匹 配问题 ,简化系统布线和设计 ,降低了成本 ,减少了故障率 , 确保可靠通信 。同时 ,测量准确度高 、抗干扰能力强 、传输 距离远 。 参考文献 : [ 1 ] 　王 　岩 ,张福恩. 现场总线的技术与发展[J ] . 电子器件 ,2001 , 在单片机内建立湿度和脉冲宽度以及温度和修正值的 24 (1) :79. 真值表 ,其中 ,湿度和脉冲宽度的真值表是以 DM500 高精 度 SAW 湿度/ 露点测量仪对所设计的传感器进行标定 。 根据测得的脉冲宽度通过查表方式求得相应的湿度 ,同时 , 根据测得的环境温度 ,查得对应的修正值 ,综合两项结果得 到实际的湿度值 ,送显并保存 (设定存储时间间隔) 。对位 于相邻两分格值之间的脉宽信号 ,采用小邻域内近似线性 (上接第 56 页) [ 3 ] 　秦建敏 ,沈 　冰. 利用水的导电特性对冰层厚度进行数字化 自动检测的研究[J ] . 冰川冻土 ,2003 ,25 (增刊) :281 - 284. [ 4 ] 　闻瑞梅 ,王在忠. 高纯水的制备及其工艺[ M ] . 北京 :科学出版 社 ,1999 ,262 - 269. [2 ] 　吴道悌. 非电量电测技术 [ M ] . 西安 :西安交通大学出版社 , 2001. 174 - 182. [ 3 ] 　何立民. 单片机高级教程[ M ] . 北京 :北京航空航天大学出版 社 ,2000. 82 - 96. 作者简介 : 张 　勃 (1956 - ) ,男 ,讲师 ,河南漯河人 ,从事计算机控制方面 的研究。 作者简介 : 秦建敏 (1951 - ) ,男 ,山西省静乐县人 ,西安理工大学博士生 , 太原理工大学教授 ,目前研究方向为检测技术与自动化装置、数据 采集与处理。