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(guó)內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量?jī)r(jià)格都相差較大，用戶如何選擇性能價(jià)格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少國(guó)內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見(jiàn)，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(guó)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(guó)外名牌，價(jià)格都較昂貴。市場(chǎng)上出售的一些電容式濕敏元件低價(jià)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(duì)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(shí)也會(huì)導(dǎo)致一致性差、線性差的缺點(diǎn)。無(wú)論高檔次或低檔次的電容式濕敏元件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性都不理想，多數(shù)長(zhǎng)期使用漂移嚴(yán)重，濕敏電容容值變化為pF級(jí)，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(duì)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(huì)失效，往往采用通電除塵的方法來(lái)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(wú)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(zhǎng)期穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)。氯化鋰濕敏元件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性其它感濕材料尚無(wú)法取代。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)國(guó)外的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(guó)外品牌占據(jù)，大部分廠家聚集在低端產(chǎn)品領(lǐng)域，同時(shí)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(cè)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(wú)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(cè)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(zhǎng)度短于20米時(shí)用5. IkQ上拉電阻；接線長(zhǎng)度長(zhǎng)于20米時(shí)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(shí)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(yáng)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(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令的情況，測(cè)試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)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(shí)傳感器的DATA引腳處于輸入狀態(tài)，時(shí)刻檢測(cè)外部信號(hào)；(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(shí)間 3 5ms ；(3)微處理器的I/O設(shè)置為輸出，同時(shí)輸出低電平，且低電平保持時(shí)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(hào)；(4)傳感器的DATA引腳檢測(cè)到外部信號(hào)有低電平時(shí)，等待外部信號(hào)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(hào)，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(shí)處于輸入狀態(tài)，檢測(cè)到I/O有低電平后，即傳感器回應(yīng)信號(hào)，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(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號(hào)的到來(lái)。本發(fā)明相對(duì)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(wú)需加熱清洗及長(zhǎng)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(gè)與水接觸的元器件均為不銹鋼材料。具有高性價(jià)比、能耗低、較好抗污染性、快速反映時(shí)間、優(yōu)良的線性、高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、長(zhǎng)時(shí)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(chǔ)存在單片機(jī)或微處理器中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)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(jiǎn)易快捷；超小的體積、極低的功耗，信號(hào)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(chǎng)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(jiǎn)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(guò)一個(gè)漏極開(kāi)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(shí)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(gè)約5. IkQ的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，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(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，因此主機(jī)訪問(wèn)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(cè)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(wú)需加熱清洗及長(zhǎng)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(shí)間、優(yōu)良的線性、高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕等特點(diǎn)，其中基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(yáng)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(wú)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(shí)采用選擇性濕法刻蝕工藝，合成聚省醌自由基高聚物，過(guò)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(duì)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(shí)間< 10秒； 工作頻率5k IOOkHz (推薦20kHz);恢復(fù)時(shí)間150小時(shí)結(jié)露< 20秒；長(zhǎng)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(chǔ)存在單片機(jī)或微處理器中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)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(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)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(chǎng)合的最佳選則。同時(shí)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(shí)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(jiǎn)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(guò)一個(gè)漏極開(kāi)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(shí)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(gè)約5. IkQ的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，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(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，因此主機(jī)訪問(wèn)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(cè)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(duì)濕度成正比。所述單總線數(shù)據(jù)傳輸方式一次通訊時(shí)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(shí)，所述上拉電阻為5. IkQ ;大于20米時(shí)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(guò)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(cè)試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)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(shí)傳感器的DATA引腳處于輸入狀態(tài)，時(shí)刻檢測(cè)外部信號(hào)；(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(shí)間 3_5ms ；(3)微處理器的I/O設(shè)置為輸出同時(shí)輸出低電平，且低電平保持時(shí)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(hào)；(4)傳感器檢測(cè)到外部信號(hào)有低電平時(shí)，等待外部信號(hào)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(hào)，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(shí)處于輸入狀態(tài)，檢測(cè)到傳感器回應(yīng)信號(hào)， 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(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號(hào)的到來(lái)。
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(cè)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(wú)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(cè)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(zhǎng)度短于20 米時(shí)用5. IkQ上拉電阻；接線長(zhǎng)度長(zhǎng)于20米時(shí)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(shí)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(yáng)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(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令的情況，測(cè)試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)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(shí)傳感器的DATA引腳處于輸入狀態(tài),時(shí)刻檢測(cè)外部信號(hào)；(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(shí)間3 5ms ；(3)微處理器的I/O設(shè)置為輸出，同時(shí)輸出低電平,且低電平保持時(shí)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(hào)；(4)傳感器的DATA引腳檢測(cè)到外部信號(hào)有低電平時(shí)，等待外部信號(hào)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(hào)，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(shí)處于輸入狀態(tài)，檢測(cè)到I/O有低電平后，即傳感器回應(yīng)信號(hào)，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(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號(hào)的到來(lái)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(cè)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(wú)需加熱清洗及長(zhǎng)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(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)本發(fā)明也具有高性價(jià)比、能耗低、較好抗污染性、快速反映時(shí)間、優(yōu)良的線性、高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D27/02GK102608173SQ201210043128
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:廣東白云學(xué)院