本實用新型屬于電子測量技術領域，尤其是一種低成本高精度的溫濕壓測量電路。

背景技術：

在大氣探測領域，通常需要監(jiān)測環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和大氣壓力等環(huán)境要素。而對于某些特定應用，在要求采集系統(tǒng)具有較好的采集精度的前提下還要嚴格控制成本，因而對采集系統(tǒng)的方案設計和器件選型都具有很高的要求。通常情況下，通過對特定傳感器阻值(如熱敏電阻)的測量可以得到環(huán)境溫度，通過對特定傳感器輸出信號的頻率的測量可以得到濕度。而精確地測得傳感器阻值是這一系列測量中的重點和難點。由于對測量傳感器阻值精度的要求較高，因此，首先采集電路本身必須具有較高的分辨率，必須具有較高的精度保證，其次在電路設計過程中要進行合理的布局與布線，把外界干擾給采集電路帶來的影響降低到最小。

在測量溫度時，往往采用的是“分壓法”先測出電阻，然后再間接得到被測溫度。傳感器電阻在前端電路中進行“分壓”會產生一個電壓。測得這個電壓后，按照一定的比例即可換算出被測電阻值。然后根據修正公式即可換算成此時測量的溫度值。為了獲得較好的采集精度，采集電路往往是采用具有較高精度的A/D轉換器芯片，如圖2所示，該溫度測量電路主要由溫度傳感器、信號調理電路和高精度A/D轉換器組成，其中信號調理電路負責將傳感器輸出的信號經過轉換和降噪，調整為適合A/D轉換器采樣的信號，以保證A/D轉換器采樣過程中工作在最佳狀態(tài)，而A/D轉換器自身的精度也是該方案中的重要一環(huán)。由于目前高精度A/D轉換器的成本普遍較高，以致拉高了上述技術方案的總體成本。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種低成本高精度的溫濕壓測量電路，解決高精度環(huán)境溫度、濕度及大氣壓力測量電路的成本問題。

本實用新型解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種低成本高精度的溫濕壓測量電路，包括微控制器、實時時鐘、溫度采集單元、濕度采集單元、氣壓采集單元和供電電池，所述供電電池為整個測量電路供電，所述微控制器與時鐘單元相連接，所述微控制器通過兩個定時器捕獲通道分別與溫度采集單元、濕度采集單元相連接實現溫度采集和濕度采集功能，所述微控制器與氣壓采集單元相連接實現大氣壓力采集功能。

所述溫度采集單元由溫度傳感器、標準電阻、溫度采集控制電路、阻值時間轉換電路和第一定時器捕獲通道構成，所述溫度采集控制電路包括電子開關S1、電子開關S2和電子開關S3，所述阻值時間轉換電路包括電容和電壓比較器，所述第一定時器捕獲通道為微控制器片上所集成；溫度傳感器和標準電阻分別接到電子開關S1和電子開關S2的兩個觸點，電子開關S1和電子開關S2的另一觸點與電容連接后再接至一個電壓比較器，電容的另一端接地，電子開關S3并聯(lián)到電容兩端，電壓比較器輸出端接入第一定時器捕獲通道。

所述濕度采集單元由濕度傳感器、濕度采集控制電路和第二定時器捕獲通道構成，所述濕度采集控制電路由電子開關S4構成，所述第二定時器捕獲通道為微控制器片上所集成，所述電子開關S4的一端連接濕度傳感器，電子開關S4的另一端連接第二定時器捕獲通道。

所述氣壓采集單元由氣壓傳感器及微控制器片上SPI通信接口構成，所述氣壓傳感器連接到微控制器SPI通信接口。

所述微控制器還通過三個A/D接口連接電池電壓監(jiān)測單元、板上溫度監(jiān)測單元和1路模擬量采集接口。

所述微控制器還通過SPI接口或UART數據接口與外部設備相連接。

所述微控制器還通過調試接口連接調試設備。

本實用新型的優(yōu)點和積極效果是：

1、本實用新型在環(huán)境溫度測量方面通過微控制器片內的定時器捕獲通道進行測量，片外使用低成本元件組成的簡單電路進行采集控制的方案，利用“RC充放電”電路中“充電時間”與阻值之間的關系，把“阻值測量”轉化為“時間測量”，通過測得充電時間，間接得到阻值及溫度值，與傳統(tǒng)方案相比，雖然增加了部分元器件數量，但這些器件均為低成本元件，卻仍可以保持相同等級的數據采集精度，提高了測量電路的性價比；在環(huán)境濕度測量方面，通過微控制器片內所集成定時器的“捕獲”通道，測量出相應傳感器輸出信號的頻率，進而計算得出濕度值；在大氣壓力測量方面，利用低成本的氣壓傳感器可以獨立完成氣壓測量工作，而后通過SPI數據通訊接口將數據傳輸至電路板上的微控制器，從而實現了低成本高精度的環(huán)境溫度、濕度及大氣壓力的測量功能，在保持較高精度的條件下，合理有效地降低成本。

2、本實用新型采集速度較快，在測量過程中可以對單個采集過程進行多次采樣，進而通過取其平均值的方法提高有用信號與噪音信號的比例(信噪比)，提高了信號的抗干擾能力。

3、本實用新型對溫度傳感器的測量具有較大的動態(tài)范圍，在整個量程內可以保持相對較高的精度，能夠滿足大量程溫度測量的要求。

4、本實用新型設計合理，尤其是將對溫度傳感器阻值的測量轉換為對“RC電路充電時間”的測量；同時充分利用微控制器的片上資源及其運算能力，滿足了高精度溫度測量的設計分辨率的要求，提高了溫濕壓測量電路的抗干擾能力和溫濕壓測量電路的性價比，可廣泛地應用在成本敏感型的溫濕壓測量應用中。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；

圖2是現有的溫度采集電路原理圖；

圖3是本實用新型的溫度采集單元電路原理圖；

圖4是本實用新型的濕度采集單元電路原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型實施例做進一步詳述：

一種低成本高精度的溫濕壓測量電路，如圖1所示，包括微控制器、實時時鐘、溫度采集單元、濕度采集單元、氣壓采集單元、電池電壓監(jiān)測單元、板上溫度監(jiān)測單元、1路模擬量采集接口及供電電池。所述微控制器與時鐘單元相連接實現時鐘計時功能，供電電池為整個測量電路供電，所述微控制器分別通過捕獲通道與溫度采集單元、濕度采集單元相連接實現溫度采集和濕度采集功能，所述微控制器通過SPI接口與氣壓采集單元相連接實現大氣壓力采集功能，所述微控制器通過三個A/D接口與電池電壓監(jiān)測單元、板上溫度監(jiān)測單元、1路模擬量采集接口相連接，所述微控制器通過SPI接口或UART數據接口與外部設備相連接，所述微控制器還通過調試接口連接電腦或調試設備實現微控制器軟件的調試及升級功能。整個溫濕壓測量電路集成到電路板上能夠實現低成本、高精度的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及大氣壓力的測量功能。

如圖3所示，所述溫度采集單元由溫度傳感器R1、標準電阻R0、溫度采集控制電路、阻值時間轉換電路和定時器捕獲通道組成。所述溫度采集控制電路包括三個電子開關S1、S2、S3，所述阻值時間轉換電路由一個電容器C1和電壓比較器構成；所述定時器捕獲通道為微控制器片上所集成。溫度傳感器R1和標準電阻R0分別接到電子開關S1和S2的兩個觸點，S1、S2的另一觸點和電容C1連接后再接至一個電壓比較器，電容C1的另一端接地。電子開關S3并聯(lián)到電容C1兩端，S3作用是泄放掉電容C1上的電荷。電壓比較器輸出的脈沖信號接入定時器的捕獲通道。

如圖4所示，所述濕度采集單元由濕度傳感器、濕度采集控制電路和定時器捕獲通道構成，濕度采集控制電路由一個電子開關S4構成；定時器捕獲通道為微控制器片上所集成，電子開關S4的一端連接濕度傳感器，電子開關S4的另一端連接定時器捕獲通道相連接。

所述氣壓采集單元由氣壓傳感器及微控制器片上SPI通信接口組成。氣壓傳感器在獨立完成測量后，再通過SPI接口將采集數據傳輸至微控制器。

所述電池電壓監(jiān)測單元、板上溫度監(jiān)測單元和1路模擬量采集接口是使用微控制器片上集成的10位A/D轉換器的3個采集通道分別采集完成的。所述電池電壓檢測單元是將電池電壓經過一個電阻分壓后連接到片上A/D轉換器的1個采集通道，實現電池電壓監(jiān)測功能。所述板上溫度監(jiān)測單元是利用一個熱敏型電阻的阻值溫度對照關系間接測量出來的，該熱敏電阻和另外一個固定阻值的電阻把電源電壓進行分壓后連接到片上A/D轉換器的第2個采集通道，然后按照A/D轉換器所測量出的電壓值與電源電壓的比例關系可得出熱敏電阻的即時阻值，從而按阻值溫度對照關系計算得出電路板表面附近的大致溫度值。1路模擬量采集接口是使用微處理器A/D轉換器的第3個采集通道，通過此采集通道直接測得外部其它電路板輸出的一個電壓值。

所述微控制器包括豐富的片上資源，在本實施例中，微控制器采用STM8S105C4T6芯片，該芯片主要包含了大容量的存儲器、帶有“捕獲通道”的定時器、多采集通道的10位A/D轉換器、SPI數據接口、UART數據接口和4線專用調試接口等資源，該芯片實現整個測量電路的核心控制功能。微處理器將各個監(jiān)測單元、采集單元測得的數據進行匯集、處理后封裝成數據包，并通過微控制器片上集成的SPI數據接口或UART數據接口同時傳輸至外部其它電路板。

本實用新型中的溫度采集單元是本測量電路的關鍵部分。其工作原理為：首先接通電子開關S3，泄放掉C1上的電荷，這時C1上的電壓Vc1＝0V；然后斷開S3接通電子開關S1，使電流通過溫度傳感器R1對電容C1進行充電。當C1上的電壓Vc1從0V升至電壓比較器的門限Vt時，則觸發(fā)電壓比較器輸出電平發(fā)生反轉。充電的同時記錄Vc1從0V升至Vt這段所用時間T1。而后斷開S1再接通電子開關S3，泄放掉C1上的電荷，這時C1上的電壓Vc1＝0V；然后斷開S3接通電子開關S2，使電流通過標準電阻R0對電容C1進行充電。當C1上的電壓Vc1從0V升至電壓比較器的門限Vt時，則觸發(fā)電壓比較器輸出電平發(fā)生反轉。充電的同時記錄Vc1從0V升至Vt這段所用時間T2。根據“RC電路充放電時間常數”的計算公式：

t＝R×C×ln[(Vc-V0)/(Vc-Vt)]

其中，t為RC電路中電容電壓充至Vt時所用的時間；Vc為RC電路中電容電荷充滿時所對應的電壓；V0為電容在充電時的初始電壓。

則有：

T1＝R1×C1×ln[(Vcc-0)/(Vcc-Vt)]

T2＝R0×C1×ln[(Vcc-0)/(Vcc-Vt)]

所以，R1/R0＝T1/T2

那么，R1＝R0×(T1/T2)

由上述可知，R1的值與R0和T1、T2有關。而R0為標準電阻，可認為其阻值基本為一定值，所以R1的測量只取決于T1、T2的測量。而對T1、T2的測量，我們以高精度的晶體振蕩器為時間基準，使用定時器捕獲功能通道進行自動計時，信號延遲可以被控制在“ns”級別，從而保證了T1、T2的測量精度，進而保證了R1的測量精度。求得R1之后，再根據溫度傳感器的“阻值--溫度”曲線關系，最終得到符合精度要求的實際溫度值。

需要強調的是，本實用新型所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本實用新型包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本實用新型的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本實用新型保護的范圍。