專利名稱：基于測(cè)頻測(cè)周集成的信號(hào)檢測(cè)及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)檢測(cè)和處理方法，具體是指一種適用于電阻、電容型的濕度、溫度等參數(shù)檢測(cè)、基于測(cè)頻測(cè)周集成的信號(hào)檢測(cè)和處理方法。
對(duì)溫度、濕度等參數(shù)測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究與日常生活中的應(yīng)用十分廣泛。通常電阻、電容型的濕度、溫度等測(cè)控儀器的信號(hào)檢測(cè)及處理方法，其要點(diǎn)是把溫度、濕度等參數(shù)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳感器件的電阻或電容值變化，再利用變換電路將電阻或電容值變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，經(jīng)整流、放大、信號(hào)調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換等之后，送微處理器進(jìn)行分析和處理。這種方法環(huán)節(jié)較多，抗干擾能力較差(采用模擬量放大處理)，除非采用專用放大器件，對(duì)于被測(cè)量變化范圍較大的情形，這種信號(hào)處理電路難以滿足測(cè)量的要求。
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的存在問(wèn)題，提出一種基于測(cè)頻測(cè)周集成的信號(hào)檢測(cè)及處理方法，用于電阻、電容型的濕度、溫度等參數(shù)測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的包含三個(gè)主要內(nèi)容①將傳感器件的電阻或電容變化直接轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)變化熱敏、濕敏等敏感器件將被測(cè)參數(shù)變化轉(zhuǎn)換成電阻或電容的變化，敏感器件直接接入振蕩電路中，振蕩電路輸出信號(hào)的頻率則為相應(yīng)器件的電阻或電容的函數(shù)；②采用基于測(cè)頻測(cè)周集成方法的頻率信號(hào)的測(cè)量方法根據(jù)所測(cè)信號(hào)頻率的大小，保證測(cè)量精度和快速性的前提下，在被測(cè)信號(hào)的高頻段采用頻率測(cè)量方法，在信號(hào)的低頻段采用周期測(cè)量方法；③應(yīng)用多次插值法，得出不同環(huán)境下的傳感特性曲線針對(duì)有時(shí)敏感器件參數(shù)變化與被測(cè)量量有關(guān)外還與其他多種環(huán)境因素有關(guān)，應(yīng)用多次插值的數(shù)學(xué)方法把一個(gè)多維的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成若干個(gè)二維問(wèn)題，得到不同環(huán)境下的傳感特性曲線。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特色和創(chuàng)新之處①將傳感器檢測(cè)到的電阻或電容等參數(shù)的變化直接轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)變化，這種信號(hào)檢測(cè)方法具有外圍電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、利于遙測(cè)、測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)，特別適用于象濕度、溫度這類的時(shí)間常數(shù)大、變化范圍寬的物理量的測(cè)量；②頻率信號(hào)的檢測(cè)采用測(cè)頻測(cè)周集成的方法進(jìn)行，同時(shí)保證測(cè)量精度和快速性；③數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用插值的數(shù)學(xué)方法把一個(gè)多維的問(wèn)題巧妙地轉(zhuǎn)化成多個(gè)二維問(wèn)題，它能很好地消除多個(gè)非被測(cè)參數(shù)對(duì)傳感精度的影響和解決傳感器件的非線性問(wèn)題。


圖1為基于測(cè)頻測(cè)周集成的傳感信號(hào)檢測(cè)及處理方法原理框圖；圖2為濕溫度傳感阻頻變換電路圖；圖3為高分子濕溫度計(jì)(儀)溫度補(bǔ)償方法原理圖；圖4為主程序結(jié)構(gòu)框圖。
下面將通過(guò)實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述采用本發(fā)明研制的高分子電阻式濕溫度計(jì)(儀)(以下簡(jiǎn)稱濕溫度計(jì)(儀))的原理框圖如圖1所示。圖1中，高分子電阻式濕敏器件RH用于濕度傳感，熱敏電阻RT用于溫度傳感，RH、RT和圖2所示的阻頻變換電路將被檢濕度和溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，兩路頻率信號(hào)通過(guò)光電耦合和通道切換環(huán)節(jié)進(jìn)行光電隔離，并由軟件選通其中一路，該信號(hào)經(jīng)整形環(huán)節(jié)送入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器配合，完成對(duì)輸入信號(hào)的頻率或周期進(jìn)行測(cè)量，再由軟件換算成頻率值。通過(guò)輪流選通溫度和濕度信號(hào)，就可得到對(duì)應(yīng)當(dāng)前被測(cè)對(duì)象的濕度和溫度的頻率值。數(shù)據(jù)處理程序通過(guò)兩次插值，不但補(bǔ)償由于溫度的變化而對(duì)傳感器性能造成的影響，濕敏傳感器的非線性問(wèn)題也得到圓滿的解決，從而得到消除了溫度因素影響的、較為準(zhǔn)確的濕度值。
圖2是濕溫度計(jì)(儀)的阻頻變換電路圖在圖2中，RH為高分子電阻式的濕敏器件，RT為普通的NTC型GC-C103熱敏電阻。濕敏器件RH可等效為電阻電容器件混合的二端網(wǎng)絡(luò)(RS，CS)，利用兩個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成的阻頻變換電路，分別把濕敏器件的電阻隨濕度的變化以及熱敏電阻的阻值隨溫度的變化轉(zhuǎn)換為兩路頻率信號(hào)fH和fT。實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)分析都表明，電路積分電容CQ的值必須小于濕敏器件的等效電容CS的一半以上阻頻轉(zhuǎn)換電路才能工作；通過(guò)對(duì)R1和CQ的合理選擇，可以保證傳感特性既具有單調(diào)性又有良好的靈敏度。
在CS≥2CQ的條件下，濕度通道的頻率輸出fH＝1/TH，TH可按下式計(jì)算TH=AlnB-0.6B-0.3+Dln2V∝-BV∝-B---(1)]]>式中
R1、R2、RS、CS和CQ如圖上所示。而溫度通道振蕩電路的頻率輸出fT＝1/TT，TT可按下式計(jì)算TT＝0.693(R3+2RT)C4(2)式中R3、C4如圖所示，RT為熱敏電阻。
由于濕度敏感器件的電阻變化范圍大(達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí))，阻頻變換后輸出信號(hào)的頻率范圍也相應(yīng)較寬(幾個(gè)到幾十萬(wàn)赫茲)，采用單一的測(cè)頻方法或測(cè)周方法進(jìn)行信號(hào)測(cè)量都難以保證精度。本實(shí)施例中采用了測(cè)頻測(cè)周集成的測(cè)量方法。實(shí)踐表明，測(cè)頻測(cè)周集成的信號(hào)檢測(cè)方法的精度及穩(wěn)定性均較好，特別適用于高性能的溫濕度檢測(cè)。
數(shù)據(jù)處理的兩次插值方法的具體實(shí)施的辦法如下①如圖3所示，在濕度計(jì)(儀)的測(cè)量范圍內(nèi)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)出濕度源為X0，X1，…Xi…XN時(shí)在溫度tk(k＝0，1，…M)下，相應(yīng)的信號(hào)電壓值Vi，k(i＝0，1，…N)值，這樣就得到了M+1組數(shù)據(jù)(每組數(shù)對(duì)應(yīng)1條濕度特性曲線)。把溫度分區(qū)點(diǎn)t0，t1，…tk…tM和濕度分區(qū)點(diǎn)X0，X1，…Xi…XN以及上面測(cè)得的M+1組數(shù)據(jù)，按照一定順序依次存儲(chǔ)固化到單片機(jī)系統(tǒng)EPROM內(nèi)，完成數(shù)據(jù)庫(kù)的建立工作。
②在單片機(jī)系統(tǒng)測(cè)出溫度t后，設(shè)t0≤t≤tM，將t與溫度分區(qū)點(diǎn)t0，t1，…tk…tM進(jìn)行比較，找出t所在的溫度區(qū)間[tk-1，tk]，k∈[1，M]，從而得到在溫度tk-1和tk兩組濕度特性數(shù)據(jù)，再利用如下公式就可算出溫度t時(shí)濕度特性曲線上對(duì)應(yīng)的濕度點(diǎn)X0，X1，…Xi…XN的電壓值V0，t，V1，t，…Vi，t，…VN，t。Vi,t=Vi,k-1+Vi,k-Vi,k-1tk-tk-1(t-tk-1)---(i=0,1,…N)]]>③由單片機(jī)系統(tǒng)測(cè)出濕度傳感電壓值V，把V與剛才求得的電壓值V0，t，V1，t，…Vi，t，…VN，t相比較(正常情況下V0，t≤V≤VN，t)。若Vi-1，t≤V≤Vi，t，則得到具有溫度補(bǔ)償下濕度值為X=Xi-1+V-Vi-1,tVi,t-Vi-1,t(Xi-Xi-1)]]>借助于實(shí)際測(cè)出的有限幾組感濕特性曲線，通過(guò)插值方法求得任意溫度下的傳感特性曲線計(jì)算公式，消除了溫度對(duì)傳感器性能的影響，解決了傳感特性的非線性問(wèn)題。
濕溫度計(jì)(儀)的軟件采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)頻測(cè)周方法集成的主程序框圖如圖4所示。主要功能模塊有主程序模塊、定時(shí)器中斷和計(jì)數(shù)器中斷模塊、顯示模塊、鍵盤監(jiān)控模塊、串行通訊模塊、打印模塊和輸出控制模塊等。
軟件主程序?qū)崿F(xiàn)的功能有系統(tǒng)的初始化；在定時(shí)器和計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖采樣完成后計(jì)算頻率值；根據(jù)實(shí)測(cè)值選擇頻率測(cè)量或周期測(cè)量；控制測(cè)量通道的切換，輪流對(duì)濕度和溫度通道采樣；計(jì)算溫度值和濕度值并根據(jù)用戶選擇顯示溫度或濕度；對(duì)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器重新初始化并啟動(dòng)下一輪采樣等。定時(shí)器中斷和計(jì)數(shù)器中斷模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻率或周期的測(cè)量。顯示模塊、鍵盤監(jiān)控模塊響應(yīng)用戶的輸入并根據(jù)用戶選擇顯示測(cè)量結(jié)果。串行通訊模塊通過(guò)串行口將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)(個(gè)人電腦或工控機(jī)等)并接受上位機(jī)的指令。打印模塊打印測(cè)量結(jié)果，輸出控制模塊除對(duì)濕度和溫度超出量程分別輸出信號(hào)外，根據(jù)上位機(jī)或用戶的鍵盤輸入設(shè)定值，在測(cè)量范圍內(nèi)各可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定4個(gè)點(diǎn)(值)，即將測(cè)量范圍劃分為5個(gè)區(qū)間，系統(tǒng)軟件將測(cè)得的當(dāng)前溫度、濕度值與設(shè)定值比較，通過(guò)編碼形式(8421碼)輸出當(dāng)前值所在區(qū)間信息(TTL電平)。通過(guò)相應(yīng)的外接譯碼和驅(qū)動(dòng)電路便可得到溫度和濕度控制信號(hào)。
權(quán)利要求
1.基于測(cè)頻測(cè)周集成的信號(hào)檢測(cè)及處理方法，其特征在于本法包括以下三個(gè)主要內(nèi)容①將傳感器件的電阻或電容變化直接轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)變化熱敏、濕敏等敏感器件將被測(cè)參數(shù)變化轉(zhuǎn)換成電阻或電容的變化，敏感器件直接接入振蕩電路中，振蕩電路輸出信號(hào)的頻率則為相應(yīng)器件的電阻或電容的函數(shù)；②采用基于測(cè)頻測(cè)周集成方法的頻率信號(hào)的測(cè)量方法根據(jù)所測(cè)信號(hào)頻率的大小，在保證測(cè)量精度和快速性的前提下，在被測(cè)信號(hào)的高頻段采用頻率測(cè)量方法，在信號(hào)的低頻段采用周期測(cè)量方法；③應(yīng)用多次插值法，得出不同環(huán)境下的傳感特性曲線針對(duì)有時(shí)敏感器件參數(shù)變化與被測(cè)量量有關(guān)外還與其他多種環(huán)境因素有關(guān)，應(yīng)用多次插值的數(shù)學(xué)方法把一個(gè)多維的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成若干個(gè)二維問(wèn)題，得到不同環(huán)境下的傳感特性曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及信號(hào)檢測(cè)和處理方法,尤其是指一種適用于電阻、電容型的濕度、溫度等參數(shù)檢測(cè)的基于測(cè)頻測(cè)周集成的信號(hào)檢測(cè)和處理方法。它主要包括:①將傳感器件的電阻或電容變化直接轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)變化;②采用基于測(cè)頻測(cè)周集成方法的頻率信號(hào)的測(cè)量方法;③應(yīng)用多次插值法,得出不同環(huán)境下的傳感特性曲線。采用本法設(shè)計(jì)的濕、溫度測(cè)控儀器,簡(jiǎn)化了測(cè)控方法,抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度和穩(wěn)定性高、測(cè)量范圍寬且利于遙測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/02GK1268666SQ0011425
公開日2000年10月4日 申請(qǐng)日期2000年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月8日
發(fā)明者劉桂雄, 鄺泳聰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)