基于虚拟仪器技术的温度、湿度无线检测系统的研究

　　环境试验设备和高温高压灭菌装置是保证产品质量以及人民健康免受病菌侵害不可或缺的试验设备，温度、湿度的控制在环境试验设备中起着相当重要的作用。随着各行业温湿度检测需求的增加，要求相应的检测、验证手段必须不断提高和完善。一些传统的计量检测仪器和方法无法满足某些特殊环境下的测量要求。为了确保环境试验设备温度、湿度检测的可靠性，必须采用特定的技术对该类环境试验设备温度、湿度测量的准确性进行检验和验证。

　　该检测系统基于NI公司推出的Labview虚拟仪器图形化语言环境，选择含有已校准数字信号输出的温度、湿度复合传感器SHT11单芯片制作传感探头，采用CC1100射频收发芯片制作无线发射接收通信模块，不需要连线便可直接探测设备内部信号，并且以飞思卡尔公司的MC68HC08嵌入式MCU为信号处理单元，利用串口通信在上位计算机进行数据处理。

　　一、温度、湿度无线检测系统的工作原理

　　本套装置选用SHT11作为温度、湿度传感器，应用专业COMS过程微加工技术，结合I2C总线的结构、工作原理、数据传输方式，能够方便地实现芯片间的数据传输与控制，其基本工作原理如图1所示。SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。它集温度传感器与湿度传感器于一体，测量准确度较高，不会由于两传感器之间的温度变化梯度而产生误差。另外，采用的CMOSensTM技术将模数转换、信号放大、标准I2C总线以及校准数据存储器集成在一个芯片内部。

　　由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量准确度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度传感器与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。不仅将温度、湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、标准等电路全部集成在一个芯片内。SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温度、湿度值传给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。

　　二、硬件电路部分

　　该温度、湿度无线检测装置的硬件电路部分组成非常简单，基本分为三个部分:第一部分为信号发送电路;第二部分为信号接收电路;第三部分为通信电路。信号发送电路与信号接收电路都采用MC68HC08单片机接收并处理传感器探头获取的信号，经过电路调理，利用CC1100芯片通过无线天线发射(或接收)信号，整个应用电路的无线频率主要设定在433MHz的频段上。至于通信电路是信号经过单片机处理后，通过MAX3232芯片将数据传入PC机串口 RS232，在上位计算机制作虚拟显示仪表进一步进行数据的处理、显示和储存等。

　　三、显示部分

　　本套检测系统应用虚拟仪器技术，制作虚拟仪表显示面板。该温湿度检测虚拟系统利用Labview设计的配套检定软件，程序主体采用了条件结构、顺序结构、While循环以及VISA等功能函数，通过对串口各项参数的正确设置，保证数据的传递无误。程序主要实现了温度、湿度数据处理、显示与存储，曲线、文字与数据信息通过打印机可完成打印，能够设置记录方式(如循环/启动/停止等)及记录周期(如小时/分/秒等)，具有曲线缩放等功能。

　　四、实验验证

　　该检测系统总体技术指标如下:

　　测量范围:温度为-10℃～150℃，湿度为0～100%RH;分辨率:温度为0.1℃，湿度为0.1%RH;最大允许误差:温度为±0.5℃，湿度为±2%RH。

　　为验证该检测系统是否达到其技术指标，根据JJF1076-2001《湿度传感器校准规范》，在温度为20℃、湿度为42%RH的环境下，将无线传感器与标准器精密露点仪(露点测量的扩展不确定度U=0.1℃，k=2;相对湿度测量的扩展不确定度U=1%RH，k=2)紧密捆绑并放置于湿热试验箱内，对两者所测得的数据进行比较，其结果如表1所示。