專利名稱：一種低功耗空氣濕度測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電子技術領域，特別是一種微控制器與濕敏電容測量空氣濕度的方法。
背景技術：
在現實生活中，濕度的測量與エ業(yè)生產、人們生活有著密切的關系。通常需要在各種環(huán)境下對濕度進行檢測與分析，以便科學的研究、氣象的監(jiān)測、エ業(yè)的控制與生產等等。通常濕度測量與記錄裝置需可隨意放在任何環(huán)境中工作，對設備的功耗有很高的要求，如需設備在電池狀態(tài)下能夠正常工作數月或數年。目前市場上的濕度測量與記錄裝置，主要是用微控制器與集成的傳感器SHT1X，DHTlX進行濕度的測量。雖然SHT1X，DHTlX傳感器可以數字化輸出測量結果，精度也可達2% 5%，但是價格昂貴，一次測量時間需要幾毫秒至幾十毫秒，不進行測量工作時傳感器 也需要消耗功耗，并且每個具體型號的傳感器測量濕度分辨率固定。

發(fā)明內容
針對現有的空氣濕度測量與記錄裝置中濕度測量方法存在的不足與缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種空氣濕度測量新方法，即采用濕敏電容與微控制器相結合的空氣濕度測量方法，該方法不僅可以提高測量與記錄裝置濕度測量精度，并可根據應用調整濕度分辨率，在不進行測量時無任何功耗，而且具有測量時間很短一般只需幾百個微秒，測量功耗極低，測量方法簡單、成本低的優(yōu)點。本發(fā)明的目的是通過如下技術方案來實現
一種低功耗空氣濕度測量方法，該方法包括以下步驟
1)將濕敏電容與電阻串聯(lián)成ー個RC電路，濕敏電容的一端接地，另一端與電阻的一端相連，電阻的另一端接微控制器的一個引腳P1，用于給RC電路供電；
2)微控制器的一個引腳P2與RC電路中濕敏電容非接地的一端相連，利用微控制器片內的比較器來設置濕敏電容充電的電壓值V。，通過微控制器控制RC電路中濕敏電容的充放電，微控制器與RC電路相連的引腳Pl輸出高電平實現對濕敏電容進行充電，微控制器與RC電路相連的引腳Pl輸出低電平實現對濕敏電容進行放電；
3)測量RC電路中濕敏電容的充電時間
i、RC電路充電前，配置微控制器片內比較器的輸出觸發(fā)定時器輸入捕獲中斷，設置微控制器中比較器輸出端相連的定時器時鐘頻率為fTIMx，初始計數值0，同時充電前需要對濕敏電容進行完全的放電；
ii、RC電路充電時，通過微控制器片內比較器設置充電閥值電壓，由于電容中的電量不可能完全放光，先設置濕敏電容一次充電過程中的一個較小的調零閥值電壓Vtl，當濕敏電容充電到Vtl時，微控制器片內比較器會產生一次輸入捕獲中斷，讀取微控制器片內定時器的計數值Countci，同時在中斷處理函數里面修改微控制器片內比較器的閥值電壓V。，當濕敏電容繼續(xù)充電到V。時，微控制器片內比較器會再次產生輸入捕獲中斷，讀取微控制器片內定時器的計數值Count。，電容充電到V。時定時器的真實計數值Count=Countci-Countc1 ；
iii、通過ii中的測量值計算出電容一次充電到V。所需要的時間t， t=Count/fTIMx(I)
4)根據RC電路原理充電的關系式
C=-t/(R*ln(l-VノV))(2)
以及采用電容值與濕度值成線性關系的濕敏電容的關系式
RH=Kq*C+D(3)
所以由式(I)、式(2)、式(3)可得濕度值表達為
RH =Count* (-K0)/ ( (R*ln(l-Vc/V))*fTIMx)+D(4)
在式中，各物理量的意義為
R為RC電路中的連接的電阻的阻值；
C為RC電路中的連接的濕敏電容的電容值；
Vc為濕敏電容兩端的電壓值；
V為RC電路兩端的電壓值，微控制器的輸出電壓值； t為對濕敏電容充電到V。時需要的時間； fTIMx為定時器的時鐘頻率；
Count0為濕敏電容兩端電壓在調零電壓值Vtl吋，定時器的計數值；
Countc為濕敏電容兩端電壓達到比較器設置的比較電壓時，定時器的計數值；
Count為定時器真實計數值，Count=Countc-Count0 ；
RH為空氣濕度值；
Ktl為電容與濕度線性關系的斜率；
D為電容與濕度線性關系的截距；
5)濕度測量值的自校正與計算
根據步驟4)中得出的關系式，可知空氣濕度值RH與微控制器片內定時器真實計數值Count成線性關系，利用微控制器設置在標準濕度環(huán)境下分別測量濕敏電容在兩種濕度RHU RH2條件下對應的計數值Countl，Count2，并對其結果保存在微控制器內部，用RH1、Countl與RH2、Count2確定濕度值RH與計數值Count的線性方程式，再根據應用過程中實際測量的計數值Count，利用式(4)計算得到實際測量的濕度值RH。本發(fā)明的特征在于通過將濕敏電容與電阻組成ー個RC電路，通過微控制器片內比較器來設置對電容充電的合適電壓值，通過設置不同電壓值，微控制器片內比較器產生的定時器輸入捕獲記錄下當時定時器計數值。通過在一次測量過程中，分別測量電容兩端的零點消除電壓以及實際的測量電壓時定時器的計數值。利用計數值，便可由RC原理關系式以及濕敏電容與濕度的關系式，計算出空氣濕度值。本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點和突出性效果1)本發(fā)明采用常規(guī)溫濕度儀表中的微控制器外加ー個濕敏電容、固定電阻組成Re電路對濕度進行測量，無需使用SHTlX或DHTlX等較昂貴的傳感器，極大地降低了測量儀表的成本。2)本發(fā)明只需測量充電時定時器的計數值，簡化測量過程，減小產生誤差的測量環(huán)節(jié)。3)本發(fā)明可根據需要調整定時器的時鐘頻率或RC電路中電阻的阻值，靈活的調整濕度測量的精度，可以達到高精度測量。4)由于該方法濕度值只與計數值有關，利用微控制器測量兩個特定濕度值下的計數值，并存儲在微控制器中，便可確立該濕敏電容測量的計數值與濕度值的線性關系，能夠實現濕度值的自校正功能，方便溫濕度儀表的エ業(yè)化批量生成。5)本發(fā)明的測量方法測量時間很短，功耗極低，適合用于低功耗的測量與記錄裝置。


圖I為本發(fā)明采用帶有比較器的微控制器與濕敏電容測量空氣濕度的原理 圖2為本發(fā)明實施例的電路接線 圖3為本發(fā)明RC電路的充電過程曲線 圖4為實施例中P-14濕敏電容與濕度特性關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的原理及實施過程作進ー步的說明。
實施例參閱圖2，本實施例選用微控制器STM32L152RBT6，濕度與電容值成線性關系的P-14濕敏電容C (溫度為23°C、P14的容值為180pF±50pF，而其靈敏度為O. 3pF/%RH)，以及電阻R=2MQ ;將P-14濕敏電容C的一端接地，另一端分別與電阻R以及微控制器片內比較器C0MP2的一個引腳PB4相連，電阻R的另一端連接微控制器的引腳PB3相連，用于為RC電路實現充放電功能。根據圖3可知，調整電阻R的合適阻值可以調節(jié)RC電路的充放電時間。系統(tǒng)時鐘的精度會影響定時器時間的精確度，定時器計數的頻率會影響濕度的分辨率。實施例中系統(tǒng)時鐘采用外部的高速時鐘，系統(tǒng)主時鐘頻率設置為16MHZ，設置使用到的定時器2 (TIM2)的時鐘頻率fTIM2=16MHz，計數初始值為0，可計數到的最大值為65535。配置引腳PB4為比較器C0MP2的正極輸入，設置比較器的另ー個引腳為比較電壓閥值，比較電壓的電壓源應選擇與RC電路供電的電壓源為同一基準源，這樣可以減小電壓源不同由電壓帶來的系統(tǒng)誤差。實施例采用微控制器STM32L152RBT6，利用微控制器片內數模轉換模塊DAC來設置微控制器片內比較器C0MP2的比較閥值電壓及設置微控制器片內比較器C0MP2輸出觸發(fā)定時器2的輸入捕獲中斷。設微控制器引腳PB3輸出高電平時電壓為V (V=2. 5伏)，由于電容幾乎不能徹底的放電，在一次測量中，先通過微控制器片內DAC設置比較器的ー個較小比較電壓值V0=O. 17*V，來減少測量時的零點誤差，當電容兩端的電壓值達到Vtl吋，比較器觸發(fā)定時器2的輸入捕獲中斷，通過定時器2的中斷處理函數讀取出CountflSU，修改比較器的比較電壓值為Vc=O. 5*V，當濕敏電容傳感器兩端的電壓再次達到比較電壓值V。時，觸發(fā)定時器2的另一次輸入捕獲中斷，讀取出定時器的計數值&)11社。=4938，計算得真實計數值Count=Counte-CountQ=3626，連續(xù)三次測量計數出Count分別為3626、3628、3625取平均值Count=3626。比較器比較電壓值的設置直接關系到計數值的穩(wěn)定性，測量的精度，實驗測試顯示V。值在O. 3*V與O. 5*V之間計數值相當穩(wěn)定，測量中定時器的計數值要保證小于定時器的計數最大值。
根據設置與測量的各值及濕度與電容的關系系數Ktl=IバO. 3PF/%RH)，通過(4)式計算出 RH=Count* (-K0) / ( (R*ln(l-Vc/V))*fTIM2)+D =0. 0015*Count+D,可知計算值變化I，濕度值變化O. 15%，測量精度可以達到O. 15%。實際實用過程中根據需要調整R、fTIM2值，以及設置適當的電容充電電壓閥值，來達到應用要求的精度。利用微控制器的應用程序設置自動校正時使用的ニ個濕度值1^=33%、RH2=75%,以及通過RTC時鐘或定時器的定時中斷功能設置啟動濕度測量的時間為開啟自動校正功能后30分鐘進行濕度RH1的測量，再過30分鐘后進行濕度RH2的測量，并將按照前面濕度測量的方法將測得的兩個Count值存儲在微控制器的備份寄存器或外部Flash中，以便以后測量計算時可使用。在應用程序中同時設置一個按鍵來進入或退出上面的自動校正程序。按下進入自動校正程序按鍵，將設備放入標準的濕度環(huán)境裝置中，設置濕度為RH1,30分鐘后測得計數值Countl=1492，再重新設置濕度為RH2,又過30分鐘后測得計數值 Count2=3391。將Countl、Count2值保存于微控制器的備份寄存器或外部Flash中，用RH1,Countl及RH2、Count2兩點即可確定濕度值RH與計數值Count的線性關系方程式,然后根據設備在使用的環(huán)境中測得值Count=3626，就可計算出實際的濕度值RH=80. 20%。
權利要求
1. 一種低功耗空氣濕度測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟 1)將濕敏電容與電阻串聯(lián)成一個RC電路，濕敏電容的一端接地，另一端與電阻的一端相連，電阻的另一端接微控制器的一個引腳P1，用于給RC電路供電； 2)微控制器的一個引腳P2與RC電路中濕敏電容非接地的一端相連，利用微控制器片內的比較器來設置濕敏電容充電的電壓值V。，通過微控制器控制RC電路中濕敏電容的充放電，微控制器與RC電路相連的引腳Pl輸出高電平實現對濕敏電容進行充電，微控制器與RC電路相連的引腳Pl輸出低電平實現對濕敏電容進行放電； 3)測量RC電路中濕敏電容的充電時間 i、RC電路充電前，配置微控制器片內比較器的輸出觸發(fā)定時器輸入捕獲中斷，設置微控制器中比較器輸出端相連的定時器時鐘頻率為fTIMx，初始計數值O，同時充電前需要對濕敏電容進行完全的放電； ii、RC電路充電時，通過微控制器片內比較器設置充電閥值電壓，由于電容中的電量不可能完全放光，先設置濕敏電容一次充電過程中的一個較小的調零閥值電壓Vtl，當濕敏電容充電到Vtl時，微控制器片內比較器會產生一次輸入捕獲中斷，讀取微控制器片內定時器的計數值Countci，同時在中斷處理函數里面修改微控制器片內比較器的閥值電壓V。，當濕敏電容繼續(xù)充電到V。時，微控制器片內比較器會再次產生輸入捕獲中斷，讀取微控制器片內定時器的計數值Count。，電容充電到V。時定時器的真實計數值Count=Counte-Countc1 ； iii、通過ii中的測量值計算出電容一次充電到V。所需要的時間t， t=Count/fTIMx(I) 4)根據RC電路原理充電的關系式 C=-t/(R*ln(1-VC/V))(2) 以及采用電容值與濕度值成線性關系的濕敏電容的關系式RH=Kq*C+D(3) 所以由式(I)、式(2)、式(3)可得濕度值表達為 RH =Count* (-K0)/ ( (R*ln(1-VC/V))*fTIMx)+D(4) 在式中，各物理量的意義為 R為RC電路中的連接的電阻的阻值； C為RC電路中的連接的濕敏電容的電容值； Vc為濕敏電容兩端的電壓值； V為RC電路兩端的電壓值，微控制器的輸出電壓值； t為對濕敏電容充電到V。時需要的時間； fTIMx為定時器的時鐘頻率； Count0為濕敏電容兩端電壓在調零電壓值Vtl時，定時器的計數值； Countc為濕敏電容兩端電壓達到比較器設置的比較電壓時，定時器的計數值； Count為定時器真實計數值，Count=Countc-Count0 ； RH為空氣濕度值； Ktl為電容與濕度線性關系的斜率； D為電容與濕度線性關系的截距； 5)濕度測量值的自校正與計算根 據步驟4)中得出的關系式，可知空氣濕度值RH與微控制器片內定時器真實計數值Count成線性關系，利用微控制器設置在標準濕度環(huán)境下分別測量濕敏電容在兩種濕度RHU RH2條件下對應的計數值Countl，Count2，并對其結果保存在微控制器內部，用RH1、Countl與RH2、Count2確定濕度值RH與計數值Count的線性方程式，再根據應用過程中實際測量的計數值Count，利用式(4)計算得到實際測量的濕度值RH。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低功耗空氣濕度測量方法，該方法由固定電阻與濕敏電容構成RC電路與微控制器片內的比較器以及定時器模塊組成測量電路，在標準濕度環(huán)境中，分別測量在兩種濕度狀態(tài)下，濕敏電容充電到某個電壓，微控制器片內比較器輸出端產生定時器輸入捕獲中斷時，定時器的計數值；再將濕度值與對應的計數值保存在設備的存儲器中，有效的確立濕度與計數值的線性關系，從而在實際的使用中，根據所測的計數值準確的計算出測量的實際濕度值。本發(fā)明測量方法簡單，成本低，功耗低，測量精度高且可根據應用需要調整精度值，能夠自校正，方便溫濕度儀表的工業(yè)化批量生成。
文檔編號G01N27/22GK102809589SQ201210259180
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權日2012年7月25日
發(fā)明者沈建華, 鎮(zhèn)咸舜 申請人:華東師范大學