电动干湿球湿度计的设计

　　目前，电子湿度传感器在测量范围和长期可靠性方面还不完善，对于气象和工业应用的湿度测量，干湿球测湿的方法仍然是应用的主流技术。
　　
　　干湿球测湿原理是：用一只温度传感器检测空气温度（干球温度），用另一只相同的传感器检测被蒸馏水浸湿的面纱套内的温度（湿球温度），通过计算或查表计算出相对湿度。
　　
　　对于常规应用的湿度测量或计量来说，其性能指标为测量范围:10%RH～RH；zui大允许误差：±3%RH。所需对应的温度测量指标：（1）测量范围:-50℃～+50℃，zui大允许误差：±0.50℃；（2）时间常数：10s；（3）通风速度：3m/s～5m/s[1]。
　　
　　根据这个指标和相关的标准，设计了一个电动式干湿球湿度计。
　　
　　1系统结构设计
　　
　　电动式干湿球温度计一般须配置[2]：温度传感器两只（采用AD590）、通风装置、上水装置。
　　
　　为使系统达到设计要求，需尽量保证干湿球测湿时，湿度的数值尽量只与干湿球温度有关（或加测试补偿）；而且，需使系统具有一定的实用性（常规实验室、测试间测量或计量使用）。本文参照QX/T25-2004，并对比了几种实物进行了结构的设计。
　　
　　（1）机械通风式湿度测量仪由核心控制、电源、温度传感器、大气压传感器、水盒、风扇和由机箱构成的通风道几部分构成[3]。
　　
　　（2）Pt电阻电动通风式。
　　
　　（3）由于AD590K体积较小，便于实现小型化，因此采用AD590K。本文借鉴了前两个实物，设计了如图1所示的结构。其特点是可拆卸、易安装，并可保存数据和发送数据。

　　
　　2电路系统设计
　　
　　2.1传感器的选择
　　
　　目前气象和专业测湿应用，建议采用Pt100或Pt1000电阻。如前所述，AD590可以把体积做小，便于改进结构及工业应用推广，因此本文采用了AD590。但标准建议，干球和湿球温度传感器在同一台干湿表传感器中，在5℃～50℃范围内配对偏差不大于0.05℃[2]，所以采用AD590，需要性能好的如AD590K、AD590L或AD590M，并做比较测试，也可通过软件补偿来实现产品的完善。本系统采用了AD590K。
　　
　　2.2测湿前端电路设计
　　
　　采用差动测温度差并考虑校正电路（25℃传感器校正、放大增益、零点校正、干球和湿球温度传感器对比修正），进行测湿系统设计。
　　
　　系统框图如图2所示。其中前端放大采用了AD623差动放大器，其电路原理图如图3所示。其中一路测量干湿球的温度差（由于采用差动，其动态范围加大），另外通过软件选择单路测量又可独立测量干球温度（或湿球温度）。这样不但提供了精度相对较高的干湿球温度差和单独的干湿球温度，还便于软件校正、滤波等。　　
　　2.3处理器选择及供电电路设计
　　
　　系统采用AD公司的2008新产品基于ARM的模拟控制芯片ADUC7060为处理器。其速度快、采样精度高、使用温度范围宽、价格便宜，是一个性价比较高的数据采集控制芯片。
　　
　　其特点是CPU内核采用“ARM7TDMI”，工作频率zui大为10.24MHz，内置32KB的闪存及4KB的SRAM，A/D转换器的采样速度为8k样本/s，电源电压为＋2.5V。在CPU内核工作频率为10.24MHz，利用两个A/D转换器时，功耗为25mW。
　　
　　由于其系统电压为2.5V，而串口MAX3232等外设的电压为3.3V，AD590等的工作电压为5V，因此系统采用了如图4所示的供电电路。
　　
　　其中2.5V分模拟和数字两路供电，这是模拟控制器常见的保证精度和抗干扰的一种重要手段。处理器的zui小系统如图5所示。

　　
　　2.4其他电路设计
　　
　　本文还采用串口接口电路、LED显示电路（以及可选的气压测试电路、电机速度测量和控制电路）来提高系统的性能。图6所示为串口电路。

　　
　　3湿度的计算
　　
　　3.1利用公式进行湿度计算
　　
　　这种方法适用于精度较高的场合。在湿度测量中，采用以下方法进行计算[4]。
　　
　　相对湿度：

　　
　　e′w是在气压为p、湿球温度为tw时相对于水面的饱和水汽压，e′i是在气压为p、湿球温度为ti时相对于冰面的饱和水汽压，
　　
　　参照的阿斯曼干湿表的计算式可表示为：
　　
　　水：　　
　　3.2利用拟合和近似方法进行计算
　　
　　这种方法适用于精度要求一般的场合。
　　
　　可以上节的公式分析，实际上，湿度的大小主要由干球温度、干湿球温度之差（或湿球温度）来确定。如zui简单的查表法，就是zui常见的经典方法。
　　
　　（1）可以采用多元线形拟合的方法来实现。如先考虑标准大气压，就只需把上面的公式的指数用级数展开，依次代入略去高次项就可。对于一般的大气压，把大气压表示为标准大气压与偏差之差，再展开就可得到。
　　
　　（2）采用通过对湿度、干球温度、干湿球温差三者关系的分析，将曲面问题转化成曲线问题的计算方法来计算[5]。

　　
　　如需提高精度，可以根据温度T分段处理来实现。
　　
　　由于AD590具有可以测量点温、不受测量线长度的影响、稳定性较好、产品防护等级高等优点，因此采用它做为电动式干湿球湿度计的温度传感器；另外本文采用了ADUC7060微处理器，依据它设计了测量电路和结构设计，并经验证。
　　
　　实验证明，本文的设计方法具有一定的借鉴意义。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]国家气象局气候监测应用管理司.气象仪器和观测方法指南（第6版）[M].北京：气象出版社，1996.
　　
　　[2]中华人民共和国气象行业标准.QX-T25-2004铂电阻电动通风干湿表传感器[S].中国，2004.
　　
　　[3]王成，乔晓军，张云鹤，等.机械通风式干湿球湿度传感器测量误差分析[J].现代科学仪器，2008，18（1）：79-81.
　　
　　[4]黄晓因，张连根.干湿球法测量相对湿度算法研究及单片机实现[J].云南民族大学学报（自然科学版），2003，12（3）：155-157.
　　
　　[5]杨泽林，李相白，李建春，等.智能干湿球相对湿度传感器的设计[J].自动化仪表，2010，31（2）:17-20.