露点，即露点温度，是指在固定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度[1]。达到这个温度时，凝结的水飘浮在空中称为雾、而沾在固体表面上时则称为露，因而得名露点，它在气候资源学科和环境学科研究以及电力、石化、天然气等众多行业中具有重要意义。 最早用来测露点的方法是镜面法，它把一个镜面置于湿空气样品中降温，在镜面上隐现露滴的瞬间，测得的镜面平均温度，即为露点温度。 研究表明，露点是温度和湿度的相关函数：相对湿度越高，露点会越接近气温，当相对湿度达到100%时，露点与气温相等，而当露点不变时，相对湿度与气温成反比[1]。因此，只要测量环境的温度和湿度，就可经过相应换算而得到环境的露点温度。基于此，本文提出基于SHT75传感器温湿度测量的露点仪设计方法，它不仅结构简单，维护方便，还具有很高的性价比，可完全满足实践教学的需要。 1 SHT75传感器介绍 SHT75属于Sensirion温湿度传感器家族中的插针型封装系列，它将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号[6]。SHT75传感器采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。测量时，SHT75首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D 转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器MCU，再利用MCU完成非线性补偿和温度补偿。 SHT75传感器温度和相对湿度默认的测量分辨率分别为14位、12位，若对数据的实时性有更高要求的时可通过状态寄存器设置将其分别降至12位、8位。传感器的测温范围为-40～123.8 ℃，对于14位的分辨率为0.01 ℃；湿度测量范围是0-100%，对于12位的分辨率为0.05%RH。每个传感器芯片都在极为精确的环境中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准，使SHT75具有100% 的互换性。 2 露点仪硬件设计 露点仪的硬件电路设计包括温湿度测量，数据显示和数据通信等3大部分内容，涉及的元器件主要包括数据处理单片机STC12C5A32S2，温湿度传感器SHT75，时钟芯片DS1302，液晶显示屏LCM12864和串口通讯器件MAX232，如图1所示。 STC12C5A32S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是一种高速、低功耗、具有超强抗干扰性能的新一代8051单片机，其运行速度比传统8051单片机快8～12倍[7]。单片机集成有MAX810专用复位电路，1280字节RAM，32K Flash ROM，28K EEPROM，并带有2个通用全双工异步串行口（UART）。此外，该单片机无需专用编程器和仿真器，便可通过串口（P3.0/P3.1）在数秒内实现用户程序的下载。 由于STC单片机没有总线接口，故用P1.0和P1.1虚拟I2C接口，分别与SHT75 的时钟端口CLK和数据端口DATA相连。CLK用于使单片机与SHT75之间通信同步，由于SHT75接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小CLK频率限制，单片机可以以任意低的速度与SHT75通信。串行数据线DATA引脚是三态门结构，用于数据的读取，它在CLK时钟下降沿之后改变状态，并仅在CLK时钟上升沿有效。在单片机向SHT75发送数据且CLK 时钟为高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，单片机应拉低DATA，当需要拉高DATA信号时，可以通过附加的4.7kΩ上拉电阻来实现。 此外，DS1302，LCM12864和MAX232分别实现露点仪的计时、显示以及串口通讯等功能，均为常用芯片，具有性能稳定，采购方便，性价比高等优点。 3 露点仪软件设计 露点仪的工作流程如图2所示，主要涉及参数设置，数据采集，露点计算，数据存储与显示以及串口通讯等功能块。 参数设置包括对DS1302数据的初始化、校时，采样频率设置，存储方式设置等。这一过程可通过串口在露点仪和PC机间建立通讯实现。 数据采集包括：建立与SHT75通讯，温湿度测量，测量数据转换等3部分内容，具体为。 3.1 建立通讯 选择2.4～5.5 V的供电电压，以不低于1 V/ms的上电速率给传感器通电。通电后传感器需要11ms进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。之后用一组“启动传输”时序，来完成数据传输的初始化，它包括：当CLK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着CLK变为低电平，随后是在CLK 时钟高电平时DATA翻转为高电平。后续命令包含三个地址位（000），和五个命令位，其中温度测量命令为00011，湿度测量命令为00101。SHT75会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8个CLK 时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平（ACK位）。在第9个CLK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。 3.2 温湿度测量 单片机通过发送一组测量命令（00000101表示测量相对湿度RH，00000011表示测量温度T）来实现对温度或湿度的测量，数据的位数为8/12/14bit时，所对应的等待时间大约20/80/320ms。SHT75通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。单片机在再次触发CLK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样单片机可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。单片机需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB开始，右值有效。如：对于12bit数据，从第5个CLK时钟起算作MSB；而对于8bit 数据，首字节则无意义。在收到CRC的确认位之后，通讯结束，SHT75自动转入休眠模式。 3.3 测量数据转换 单片机从SHT75获取的数据为温度或湿度具体数值的数字量，需要转换成实际物理量。SHT75的温度传感器的线性非常好，可用 将温度数字输出转换成实际温度值，式中为传感器温度测量的数字量，为实际环境温度，（）为修正系数，当为14位时，其值分别为-40.1和0.01，当为12位时，其值分别为-40.1和0.04（电源电压为5v时）。SHT75 的相对湿度输出特性呈一定的非线性，需进行非线性补偿才能获得准确数据。当气温为25 ℃时，所用的公式为 式中为传感器相对湿度测量的数字量，转化后的湿度值，（）为修正系数，当为12位时，其值分别为-2.0468，0.0367和-1.5955E-6，当为8位时，其值分别为-2.0468，对的结果进行修正，式中为实际环境温度，为经温度修正后的湿度值，（）为修正系数，当为12位时，其值分别为0.01和0.00008，当为8位时，其值分别为0.01和0.00128。 露点的计算可参考很多方法[8]，但有些计算过于复杂而不方便在本例中使用。对于-40～50 ℃温度范围的测量，该文通过公式 计算露点，式中为露点，和为常数，当温度在0～50 ℃时，分别为243.12和17.62，当温度在-40～0 ℃时，分别为272.62和22.46。 在测得环境温度和相对湿度，并完成露点的计算后，单片机读取DS1302芯片的时间数据，将4者压缩成数据包，存储于单片机内部的EEPROM，并把测量结果在LCM12864上显示出来。存于EEPROM的数据压缩包经单片机解压后可通过串口传送到电脑终端，以方便后期数据的使用和处理。 4 露点仪性能测试 通过RS232串口线，将露点仪与PC终端相连接，设置露点仪的采样时间为5分钟，数据存储方式为双备份，即数据在仪器内部存储的同时也通过串口发送给PC终端，得到如图3所示测试实验的数据曲线。从图中可以看出，露点温度在任何时候都比气温低，但两者差异和湿度有关；在相对湿度大于90%的时候，露点与气温差异比较小，基本在2 ℃以内；当相对湿度小于70%的时候，露点与气温差异比较大，如14时左右的时候，两者差异超过了6 ℃。从图中还可以看出，气温和湿度在12点至16点间发了较大幅度的改变，但露点基本保持平稳，这说明该时间段内，采样点所在气团比较稳定，空气中的水汽含量没有大的波动，湿度的改变主要是由气温的改变而引起的，从而使得该时段内露点基本保持不变。 该测试数据表明，基于SHT75传感器温湿度测量的露点仪稳定性好，能实时跟踪气象要素的变化，并给出较高精度的露点值，可满足实践教学的实际需求。 6 结语 鉴于当前测量露点的仪器价格昂贵、结构复杂以及对测量环境要求高等现状，本文提出一种基于SHT75传感器温湿度测量的露点仪的设计方法。文中不仅给出了详细的硬件设计原理图，还着重介绍了SHT75传感器数据获取、数据转换等具体的软件设计方法，为高性价比露点仪的生产提供了可行方案，具有较强的现实指导意义。测试实验说明该露点仪性能稳定，数据精度高，可满足实践教学的实际需求。 参考文献 [1]孙学金，王晓蕾，李浩，等.大气探测学[M].北京：气象出版社，2009. [2]马延平，陈振林，蒋志忠，等.影响冷镜式露点仪测量准确度因素分析及解决方法研究[J].仪表技术与传感器，2006（9）：17-18. [3]王进才，陈振林，张凤林，等.图像式露点测量仪器的功能开发[J].分析测试技术与仪器，2000（3）：158-161. [4]李光华，陈金增，龙满林.高压充气站露点仪的改型设计[J].液压与气动，2013（2）：91-93. [5]李斌，谭鹏，陈国杰，等.自制物理实验仪器的探索与实践[J].实验技术与管理，2013（6）：46-49. [6]高葵.基于Sensirion SHT系列传感器的分布式温湿度监测系统[J].计算机工程与设计，2008（21）：5476-5478. [7]唐洪富，张兴波.基于STC系列单片机的智能温度控制器设计[J].电子技术应用，2013（5）：86-88.
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