专利名称：一种温度和湿度测控电路装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属电子技术领域，具体涉及一种温度和湿度测量和控制的电路。
温湿度的测量和控制基本原理如下用热敏电阻和湿敏电阻分别作为检测温度和湿度的传感器，它们的电阻值随温度或湿度的变化而变化。例如，在规定的检测温度范围内(如-20℃～60℃)，对芝浦电子制作所103AT-2型温度传感器，其电阻值在70kΩ～3kΩ范围内变化。对湿度而言，相对湿度在50％RH～90％RH范围内，当环境温度为0℃时，神荣株式会社C5-M3型湿度传感器的电阻值的变化范围为370kΩ～7kΩ。把这一电阻(传感器)连成RC振荡回路，那么振荡频率将随温度或湿度的变化而变化。如果把振荡脉冲的计数值与温度和湿度的映射关系存放在ROM中，经查表比较，就可得到温度或湿度值。再把测得的温度或湿度值与设定的温湿度的上、下限值相比较，根据设定的加热或制冷，加湿或去湿的条件，发出控制信号，以便启动或停止相应的设备工作。在我们的设计中，采用简便而有效的脉冲计数方法，也就是先对基准电阻的振荡作一次计数，以确定下一次计数的时间长度；然后接入传感器，在同样时间长度内记录振荡脉冲数。根据理论计算，可大大减小外接元件的数值变化所引入的误差；在设计上，只要增加少量元件，增加ROM的容量及字长，就可提高测量精度，这就为设计系列芯片打下坚实基础。
对应于上述温度、湿度的测控原理，本实用新型设计了相应的温度、湿度的测控电路。该电路由RC振荡器模块、采样电路模块、温湿度映射和显示电路模块、预置和控制电路模块经电路连接组成。其电路框图见
图1所示，具体电路框图见图2所示。其中1、RC振荡器模块，它由基准振荡电路、温度传感器振荡电路和湿度传感器振荡电路经电路连接构成。这里，基准振荡电路提供该系统的时钟信号；温度采样值从温度传感器振荡中获得；湿度采样值从湿度传感器振荡中获得。本实用新型利用传感器阻值随温、湿度单调变化的性质，把传感器接入基于施密特触发器的松弛振荡器，这样就把电阻值的变化转化为频率的变化。振荡器的频率值f的公式如下式所示。f=1Kosc*R*C---1]]>式中振荡器常数Kosc为式2所示Kosc=ln[(VHVL)*(VDD-VL)(VDD-VH)]---2]]>式2中VH，VL分别为施密特触发器跃迁高电平和低电平，VDD为电源电压。
为了消除电容的影响，本实用新型提出了一种改进的振荡电路。温度传感器RC振荡电路如图3所示，湿度传感器RC振荡电路如图4所示。图中的管子作开关用，cal/Meas为控制端。当控制端(cal/Meas)为高电平时，RC振荡回路中仅接入电阻Rr；当控制端为低电平时，对于温度RC振荡回路中电阻为Rr+Rt(见图3)，对于湿度RC振荡回路中，电阻为Rr+Rh‖Rp+Rc，见图4。
2.采样模块，其功能是对RC振荡器产生的随温、湿度而变化的频率值进行采样。采样电路模块由有限状态机1、温度和湿度采样计数器、温度和湿度计数锁存器、定时计数器经电路连接构成。温度和湿度计数器与温度和湿度传感器振荡电路连接，定时计数器与基准振荡电路连接，计数器和锁存器由状态机1控制。
本实用新型中，对不接入传感器的振荡作时间定标，对接入传感器的振荡采样，测量定标时间间隔内的振荡脉冲数。
根据图3和图4的电路，本实用新型不再是计算在固定时间内振荡器的振荡次数，而是对不接入传感器和接入传感器时的振荡回路的振荡进行计数，前者称为校正周期的计数，后者称为测量周期的计数。在校正周期，我们把某一长度(譬如说12位)的计数器计满，用另一个计数器记下基准振荡的振荡次数；在测量周期，同样使基准振荡产生上述个数的计数脉冲，记下接入传感器后的振荡回路的振荡次数。这一测量过程表明，我们是在相同的时间间隔Δt内记下两种不同振荡回路的振荡次数。这一方法的优点在于(1)根据计算，我们得到校正周期和测量周期在Δt时间内振荡次数的比，它与电容C无关，这就消除了电容值随时间发生变化而带来的对振荡频率的影响，也就是消除了对温湿度测量精度的影响，使测量结果更为准确；(2)两次测量的时间间隔极短(通常为秒的数量级)，既避免了因测量系统的不稳定而引入的误差，又避免了因外接元件的数值随时间而变化所引入的误差；(3)便于调整计数器的长度来提高测量精度；(4)有利于温湿度传感器采用相似的振荡回路及计算方法来获得温湿度值。
根据本实用新型的算法，在时间间隔Δt内获得脉冲的采样值，那么在校正周期，基准振荡频率fc1同校正频率fr的比值为M1N=fc1fR---3]]>式中M1及N分别为基准振荡和校正振荡次数。在测量周期，基准振荡频率fc2与测量频率fT的比值为M2n=fc2fT---4]]>M2及n分别为基准振荡和测量振荡次数。由于两次采样的时间相同，即M1fc1=M2fc2--5]]>那么对温度测量而言，有n=fTfRN=RRRR+RSN---6]]>对于湿度，可得类似结果n=fTfRN=RRRR+RN---7]]>R=RH*RPRH+RP+RC]]>3.温、湿度映射和显示模块。映射和显示电路模块由存贮器ROM、温度ROM地址计数量、湿度ROM地址计数器、比较器、温度显示计数器、温度显示译码器、湿度显示计数器、湿度显示译码器、液晶显示器经电路连接构成，比较器分别与ROM和锁存器连接，并与温度ROM地址计数器、湿度ROM地址计数器连接，温度显示译码器依次与温度显示计数器、温度ROM地址计数器连接，湿度显示译码器依次与湿度显示计数器、湿度ROM地址计数器连接。
采样模块得到的采样值n同温、湿度的关系曲线是一条单调递增的曲线。必须进行温、湿度映射，才能得到温、湿度值。ROM中存放了经线性化处理并考虑四舍五入后的温、湿度映射数据，把采样值映射到ROM中的数据，就可得到十进制的温/湿度值。下面以精度为1℃的温度测量为例来说明ROM中存放的是......0.5℃、1.5℃......等温度时的n值，这可以达到四舍五入的目的；一个十进制计数器，先予置为温度测量范围的最低值，来一个计数脉冲，使计数器加1，同时使ROM地址加1，把n值与ROM中存放的值相比较，若前者大于后者，继续计数，否则十进计数器的值就是我们测量得到的温度值。这样设计的优点在于(1)减少硬件开支，即在实现相同功能的情况下所用的器件数目少；(2)可用最少容量的ROM来实现四舍五入的功能；(3)可减少数据比较的次数；(4)十进计数值的增加与地址的增加是同步的，使逻辑实现简单。
在湿度的映射过程中还需作温度修正，这是因为湿度是环境温度的函数。
下面以温度为例，说明其流程。根据图5所示，在状态机1的控制下，对温度振荡进行采样计数，并把计数值存放在锁存器中；然后在状态机2的控制下，从最低地址的ROM中取得存放的值，与锁存器中的值相比较，若后者大于前者，继续增加地址，再进行比较，直至后者小于等于前者，比较结束。此时十进计数器的计数值就是温度值，经译码后即可显示。湿度的采样计数和显示过程也类似。
4.预置及控制模块。预置及控制模块电路由状态控制机2、温度最大值计数器、温度最小值计数器、温度控制机、湿度最大值计数器、湿度最小值计数器、湿度控制机、后端控制机经电路连接构成。温度最大值和最小值计数器与温度显示译码器连接，温度控制机分别与温度显示计数器、温度最大值和最小值计数器连接；湿度最大值和最小值计数器与湿度显示译码器连接。湿度控制机分别与湿度显示计数器、湿度最大值和最小值计数器连接。状态机2与温、湿度计数器、基准振荡电路连接，并与后端控制机连接。
其中的温度预置及控制模块可参见图6。从图可见，当预置温度时，在状态机控制下，一方面显示置入的温度值，另一方面把置入的最大/最小温度值分别存放在寄存器中。然后把测量得到的温度值分别与设定的上、下限比较，如果在“加热”设定下，测得的温度值高于上限，那就输出停止加热的信号；反之，若测定值低于下限，就发出开始加热的信号。如果在“制冷”的设定下，测得的温度值高于上限，就输出开始制冷的信号；反之，若测定值低于下限，就发出停止制冷的信号。
考虑到由人工输入的存放在寄存器中的温、湿度上下限数据在掉电时可能丢失，在电路中附加了电可擦除RAM的读/写电路，把温湿度上下限数据存入该RAM中。
对湿度的予置及控制也有类似过程。
本实用新型的基本工作过程如下，根据图2所示，其中虚线的左边为振荡电路及采样模块，右边为ROM映射模块，下方为温湿度的控制模块。由外部信号Sel来决定是显示温度还是湿度。由有限状态机来控制采样模块的计数器，根据基准计数器来得到接入温度和湿度传感器后得到的计数值n，使温度和湿度的ROM地址计数器和温度和湿度显示计数器开始工作，即进行ROM扫描，从ROM中读出的值与n进行比较直至前者大于后者，停止计数器的计数，通过译码把得到的十进制温湿度值经过LCD显示。根据测量得到的温湿度值及所需进行的操作(对温度控制是加热还是制冷，对湿度控制是加湿还是去湿)，再根据寄存在寄存器中的温湿度最大值和最小值，由温度或湿度控制器得到所要控制外设的信号。由于所测值与最大、最小值是共用显示的，所以由状态机来控制LCD所显示的值为何值。
由于温度是湿度的参数，且ROM中高地址存放湿度值、低地址存放温度值，因此在测量湿度时，ROM映射的地址要根据测量得到的温度值进行补偿，从而得到湿度的ROM映射地址。
最后，我们说明温湿度测量的状态机的设计。根据温湿度测量的原理，整个电路的中枢控制单元即状态机应包含以下几个状态(1)首先让RC振荡电路只接入RR电阻，为避免振荡电路开始时的不稳定性，先使采样计数器记到一次进位；(2)让两计数器同时计数，updn置为1，进行加计数，记录参考频率Fr计满一次时基准振荡Fosc的振荡次数；(3)在RC振荡电路中接入传感器，同样为使振荡稳定，先使计数满一次进位；(4)两计数器同时计数，基准计数器的updn置为0，计数器进行减计数，直至为0，此时便得到接入传感器后振荡器的计数值n，并存到锁存器中；(5)启动ROM地址计数器及显示计数器，把ROM中的数据同存在锁存器中的数据n比较，若ROM中数据小于n则继续计数，否则计数停止；(6)锁存显示计数器中的数据，经过译码单元得出最终的温湿度值。
本实用新型的特点1.采样所得的温度或湿度的振荡脉冲计数值，不必进行算术运算，只需与ROM中的数据进行比较就可得温度或湿度值，这就大大降低了硬件的复杂程度，节省硬件开销，也易于制成集成电路；2.按我们的设计方法，只要增加相关计数器的字长，并相应增加ROM的字长和容量，就可提高测量精度，这为设计不同测量精度要求的系列芯片打下基础；
3.对不同型号传感器，在获得振荡计数值与温度(湿度)的映射曲线后，改变ROM中数据的值，不必改变其它设计，本电路就可适用，这在制造IC时就很容易办到只要改变一块版子(即ROM的码点)，就可制成新的IC。如果在IC制造工艺中采用电可擦写工艺，也就是ROM中的数据可以根据需要改写，那么，不仅能方便地实现不同型号传感器的更换需要，而且能方便地对测量误差超过要求的仪表进行校正；4.为达到对温度(湿度)进行控制的目的，我们由人工设定了温度(湿度)的上下限，再根据加热/制冷(加湿/去湿)的设定，对超限的测量值进行控制。由于我们把温湿度上下限的数据存放在电可擦写的RAM中，一旦掉电，这些数据仍保存在该RAM中，上电后不必重新设置就可继续工作。
图2为温度和湿度测量和控制电路具体框图。
图3为基于施密特触发器的温度传感器RC振荡电路。
图4为基于施密特触发器的湿度传感器RC振荡电路。
图5为温度映射和显示电路模块框图。
图6为温度预置及控制电路模块框图。
(1)首先让RC振荡电路只接入RR电阻，为避免振荡电路开始时的不稳定性，先使采样计数器记到一次进位；(2)让两计数器同时计数，updn置为1，进行加计数，记录参考频率Fr计满一次时基准振荡Fosc的振荡次数；(3)在RC振荡电路中接入传感器，同样为使振荡稳定，先使计数满一次进位；(4)两计数器同时计数，基准计数器的updn置为0，计数器进行减计数，直至为0，此时便得到接入传感器后振荡器的计数值n，并存到锁存器中；(5)启动ROM地址计数器及显示计数器，把ROM中的数据同存在锁存器中的数据n比较，若ROM中数据小于n则继续计数，否则计数停止；(6)锁存显示计数器中的数据，经过译码单元得出最终的温湿度值。
权利要求1.一种温度和湿度测控电路装置，由RC振荡器模块、采样电路模块、温湿度映射和显示电路模块、预置和控制电路模块经电路连接构成，其特征在于RC振荡器模块由基准振荡电路、温度传感器振荡电路、湿度传感器振荡电路经电路连接构成；采样电路模块由有限状态机1、温度和湿度采样计数器、温度和湿度计数锁存器、定时计数器经电路连接构成，温度和湿度计数器与温度和湿度传感器振荡电路连接，定时计数器与基准振荡电路连接，计数器、锁存器与状态机1连接；映射和显示电路模块由存贮器ROM、温度ROM地址计数器、湿度ROM地址计数器、比较器、温度显示计数器、温度显示译码器、湿度显示计数器、湿度显示译码器、液晶显示器经电路连接构成，比较器分别与ROM和锁存器连接，并与温度ROM地址计数器、湿度ROM地址计数器连接，温度显示译码器依次与温度显示计数器、温度ROM地址计数器连接，湿度显示译码器依次与湿度显示计数器、湿度ROM地址计数器连接；预置及控制电路由状态机2、温度最大值计数器、温度最小值计数器、温度控制机、湿度最大值计数器、湿度最小值计数器、湿度控制机、后端控制机经电路连接构成，温度最大值和最小值计数器与温度显示译码器连接，温度控制机分别与温度显示计数器、温度最大值和最小值计数器连接，湿度最大值和最小值计数器与湿度显示译码器连接，湿度控制机分别与湿度显示计数器、湿度最大值和最小值计数器连接，状态机2与温、湿度计数器、基准振荡电路连接，并与后端控制机连接。
2.根据权利要求1所述的温度和湿度测控电路装置，其特征在于温度和湿度传感器RC振荡电路是把传感器接入基于施密特触发器的松驰振荡器。
3.根据权利要求2所述的温度和湿度测控电路装置，其特征在于对不接入传感器和接入传感器的振荡回路的振荡进行计数，从而在相同的时间间隔Δt内记下两种不同振荡回路的振荡次数。
4.根据权利要求3所述的温度和湿度测控电路装置，其特征在于在ROM中存放经线性化处理并考虑四舍五入后的温度、湿度映射数据，把采样的温度值和湿度值映射到ROM中的数据，得到十进制的温度、湿度值。
专利摘要本实用新型属电子技术领域,具体为一种温度和湿测量和控制的电路。其电路由RC振荡模块、采样模块、映射和显示模块、预置和控制模块组成。其中,振荡脉冲的计数值与温、湿度的映射关系存放在ROM中,经查表可得温、湿度值;再把测得的温、湿度值与设定的上、下限值比较,发出控制信号,以便启动或停止相应的设备工作。本实用新型大大节省硬件开销,测量精度高,误差校正方便,易于制成集成电路。
文档编号G05D27/00GK2504671SQ0124654
公开日2002年8月7日 申请日期2001年7月16日 优先权日2001年7月16日
发明者黄均鼐, 童家榕 申请人:复旦大学