密封容器內(nèi)溫濕壓計(jì)及檢測裝置設(shè)計(jì)

唐華+楊琳艷

摘 要： 本文介紹了一種微小型密封容器內(nèi)溫濕壓檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)，電氣硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)滿足某密封容器內(nèi)對(duì)溫濕壓物理參數(shù)的測量及顯示。

關(guān)鍵詞： 溫濕壓計(jì)；檢測裝置；密封性能；顯示屏；微小型

1.引言

某密封容器內(nèi)需對(duì)其溫度、濕度、壓力進(jìn)行測量，測量范圍及精度分別為：

溫度：-45℃～+65℃ 測量精度誤差：±0.5℃；

濕度： 0～100%RH 測量精度誤差：±3%RH；

壓力30kPa～150kPa 測量精度誤差：±0.5kPa

以往測量時(shí)，須打開溫濕壓測量口蓋，將溫濕壓計(jì)放進(jìn)去，再讀取參數(shù)。這樣做存在兩個(gè)問題，一個(gè)是測量時(shí)要放氣，這樣測量的結(jié)果不能真實(shí)反映容器內(nèi)的狀況，二是在測量完后，還要充氣，導(dǎo)致測量容器內(nèi)溫濕壓工作很繁瑣?；谏鲜鰞蓚€(gè)問題，設(shè)計(jì)出一種微小型溫濕壓計(jì)及檢測裝置，便于對(duì)密封容器內(nèi)的溫度、濕度、壓力隨時(shí)監(jiān)測。

2.工作原理

溫濕壓敏感及檢測系統(tǒng)包括溫濕壓敏感頭、信號(hào)放大模塊、AD采集模塊、單片機(jī)中心控制模塊、顯示模塊、9V電源供給模塊、電源變換模塊組成。溫濕壓敏感及檢測系統(tǒng)模塊的原理如圖1所示。

溫濕壓敏感頭敏感到的溫度、濕度、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大模塊放大至0V～5V的電壓信號(hào)，并送到A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SPI口傳送給STC90C51單片機(jī)，單片機(jī)將讀取的數(shù)據(jù)通過通訊口傳送給OLED顯示屏。電源采用可充電9V干電池，由于所有器件工作電源為5V，采用78L05進(jìn)行電源變換。當(dāng)合上K1開關(guān)時(shí)，所有器件工作，顯示屏顯示測量的筒內(nèi)溫濕壓測量值，當(dāng)合上開關(guān)K2時(shí)，顯示屏顯示當(dāng)前壓強(qiáng)值及濕度值轉(zhuǎn)換為20℃時(shí)的值。

3.溫濕壓計(jì)硬件選型及設(shè)計(jì)

3.1.AD模塊的選擇

AD模塊選用XPT2046，主要是基于XPT2046被廣泛應(yīng)用于AD采集及觸摸屏制作中，工作穩(wěn)定，所以在此方案中選用XPT2046作為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換用。

3.2.單片機(jī)的選擇

方案一采用傳統(tǒng)的STC90C516RD+作為控制核心，并且是國產(chǎn)，單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

方案二：采用FTC10F04單片機(jī)，還帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器。它是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理芯片，市場應(yīng)用最多。其主要特點(diǎn)如下：8KB Flash ROM，可以擦除1000次以上，數(shù)據(jù)保存10年。

方案一成本比較低，適合做設(shè)計(jì)，方案二運(yùn)算速度高，性能好，所以兩種方案都有可取之處。此處采用方案一。

3.3.顯示模塊的選擇

方案一：使用液晶顯示屏顯示溫度、濕度、壓力具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

但由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。在使用時(shí)，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護(hù)。

方案二：OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode） ，又稱為有機(jī)電激光顯示（Organic Electroluminesence Display， OELD）具備輕薄、省電、超強(qiáng)兼容性、等特性，因此 OLED 屏幕卻具備了許多 LCD 不可比擬的優(yōu)勢。

目前 OLED 顯示屏廣泛用于手機(jī)、MP3、工控顯示設(shè)備上，具有亮度高、顯示精度高、功耗低等特點(diǎn)。

根據(jù)以上的論述，采用方案二。在本系統(tǒng)中，我們采用了OLED顯示系統(tǒng)。

4.軟件設(shè)計(jì)

軟件采用C及匯編語言聯(lián)合編制，軟件流程圖如圖2所示。注釋量不少于30%。涉及的模塊有通訊模塊、I/O口檢測模塊、液晶屏顯示模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、系數(shù)計(jì)算模塊、延時(shí)模塊。

5.溫濕壓計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫濕壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。溫濕壓計(jì)安裝在密封容器上，內(nèi)分兩層，分別安裝單片機(jī)中心控制模塊和轉(zhuǎn)換模塊。溫濕壓計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需同步考慮產(chǎn)品的密封，采用溫濕壓計(jì)本體與容器之間的密封以及溫濕壓計(jì)里層與外層之間的密封形式來保證溫濕壓計(jì)安裝后整個(gè)密封容器的氣密性。

6.理論計(jì)算

6.1.采集精度計(jì)算

A/D采集芯片為12位工作方式，換算成十進(jìn)制的數(shù)值范圍是0～4095，一個(gè)數(shù)字為1.2mV，傳感器輸出電壓為0V～2V，則2V/1.2mV約可表征1666個(gè)數(shù)字，由傳感器的采集范圍及采集精度計(jì)算得溫度需用200個(gè)數(shù)字、濕度需用33個(gè)數(shù)字、壓力需用240個(gè)數(shù)字表征，所以采集精度滿足要求。

6.2.電源供給容量計(jì)算

9V堿性電池放電至4.8V的話，電流25mA，容量約600mAh；電流100mA，容量約400mAh；電流300mA，容量約300mAh；電流500mA，容量約200mAh。經(jīng)查，除顯示屏工作標(biāo)準(zhǔn)電流為10mA～160mA，傳感器電流為10mA左右，按使用傳感器裝置測量溫濕壓電池放電100mA計(jì)算，電池可工作4h，按每個(gè)密封容器每次測量3min計(jì)算，一個(gè)9V干電池可測量80個(gè)密封容器，所以電池容量滿足使用要求。

6.3. 將某溫度下得大氣壓及濕度轉(zhuǎn)換成20℃的大氣壓及濕度計(jì)算方法

6.3.1.大氣壓轉(zhuǎn)換方法

大氣壓轉(zhuǎn)換按照理想氣體方程：P20V/T20= PTV/TT，其中V相同，所以，將某溫度下的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成20℃的壓強(qiáng)，按P20=PT*20/TT進(jìn)行計(jì)算即可。

6.3.2.濕度轉(zhuǎn)換方法

由于濕度測量的是相對(duì)濕度T，所以在轉(zhuǎn)換時(shí)，須首先計(jì)算出該溫度下的水汽氣壓，經(jīng)查不同溫度下飽和水汽壓可得該溫度時(shí)的飽和水汽壓，將該飽和水汽壓乘以此時(shí)的濕度，得到該溫度下的絕對(duì)水汽壓，再利用理想氣體狀態(tài)方程，換算成20℃的絕對(duì)水汽壓，將該絕對(duì)水汽壓除以20℃的飽和水汽壓，即換算成20℃的濕度值。

7.結(jié)束語

本文介紹了一種密封容器內(nèi)微小型溫濕壓計(jì)及測量裝置的軟硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該檢測裝置實(shí)現(xiàn)了方便測量密封容器內(nèi)溫度濕度壓力的測量，據(jù)有體積小、操作方便等特點(diǎn)。■

參考文獻(xiàn)

[1] 《傳感器》 強(qiáng)錫富編 機(jī)械工業(yè)出版社 2013.

[2] 《MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用》 蔡美琴，張為民，沈新群，張榮娟編，高等教育出版社，2003年.

[3] 《現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)》 蔡萍，張輝編，高等教育出版社，2002年.