基于MAX5102的电流型温湿度智能传感器

湖南大学电气与信息工程学院 王华 彭楚武 苏深广

引言
温湿度的测量在气象、仓储及人工气候环境中有着广泛的应用。温湿度传感元件具有非线性的缺点，它的特性曲线呈近似抛物线型。若要用于测控系统，必须对其进行线性化处理。另外，工业控制现场执行机构多接受4～20mA的输出电流标准，为使温湿度传感器变得通用，有必要将其标准化和智能化。

传感器硬件结构设计

组成及原理

本传感器由传感单元和数据处理电路组成，如图1所示。
传感单元的热敏、湿敏元件先将非电量(温度和湿度)转换为电量(电压)，然后进行预处理。输出电压为0～5V，且是非线性关系。

数据处理电路中，TLC0832是串行接口的双通道A/D转换芯片。从要求高可靠性、低功耗、小体积特点出发，嵌入式微处理器选用AT89C2051单片机。其性价比高，技术成熟可靠，使用灵活方便，完全兼容MCS－51系列单片机。由于采用了高速CMOS Flash/EEPROM技术，对嵌入式应用来说有很高的效率和很大灵活性，拓展了单片机的应用空间。

MAX5102进行D/A转换，AD694则承担将电压转换为电流的工作。为确保系统工作可靠，外加一片看门狗芯片MAX813L来防止程序"跑飞"。

4～20mA电流输出接口电路

本电路中采用了MAXIM公司的MAX5102和ANALOG DEVICES公司的AD694芯片。

MAX5102

MAX5102是电压型双通道八位并行输入的满刻度D/A转换芯片，供电电压＋2.7V～＋5.5V，采用16脚TSSOP封装。参考电压Vref范围可为从低电平到高电平之间的任意值，提供的00H～FFH满刻度点对点转换。输出电压值的计算公式为：

V = (NB Vref) / 256

MAX5102对它的两个通道都有独立的锁存器，数据从8位并行口输入锁存。在将/WR置低电平时，通过地址位A0选择不同的通道进行转换，操作简便。同时，它的供电电流极低，工作时电流为0.2mA，关断模式下电流减小到1nA。上电复位时所有寄存器为0。

AD694

AD694是标准单路输入V/I转换芯片，供电电压为＋4.5V～＋36V，可为现场执行机构提供符合工业标准的4～20mA电流环路输出。输入信号可由一个输入放大器进行缓冲。输入的电压信号范围根据对应管脚连接的不同可为0～2V或0～10V。其他范围可通过外加电阻来编程实现。4mA的逻辑零电流也可以通过TTL电路控制相应的管脚使输出电流变为0mA。
AD694具有内部电压基准，可用作外接芯片的参考电压，这样既简化了电路设计，又节省了空间。另外，AD694有较强驱动能力，是需要免除噪声的4～20mA信号传递以操作电子管、传动装置和其他控制器件的理想选择。

以MAX5102为的接口电路

电路图如图2所示。

AT89C2051的P1口作为数据输出端，P3.7作为MAX5102的通道选择连接到A0。当A0为"0"时表示选通Y1，为"1"时表示选通Y2。AD694的内部基准电压为2V，作为MAX5102的参考电压。P3.3控制MAX5102的片选信号。

软件设计

软件概述

89C2051内置2Kflash程序存储器，用来存放用户程序。程序采用模块化设计方法，主要包括A/D 转换子程序，滤波求平均值子程序，查表计算子程序，二次滤波计算子程序，D/A转换子程序。读入的温度、湿度信号分别放到以20H和30H开始的内部数据单元。为了能迅速读出当前的温湿度值，上电复位后次数据采样处理时，可以跳过二次滤波子程序。第二次数据采样再按照顺序一一进行。

滤波及线性化算法

本程序采用两次滤波和两次查表线性化。滤波采用算术平均值算法，即把一个采样周期内的n次采样值相加，然后再除以采样次数n，即可得到该周期的采样值。再查传感器本身自带的一张表，得到相应的温湿度的值（十进制BCD码）。

在查表的过程中，用到的指令为 MOVC A，@A+PC。本程序中变址采用温湿度值，但必须为16进制，而查表得到的是BCD码，所以两次查表中间还需要一个十～二进制转换子程序。

在线性化查表后,为了消除干扰所导致的输出值突变，采用了二次滤波即限幅滤波方法。具体算法是：把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以表示），然后与两次采样允许的差值（由被控对象的实际情况决定） Y进行比较，若小于或等于 Y，则取本次采样值；若大于 Y，则本次采样值为上次采样值 Y。在本程序中， Y取为2。

MAX5102的D/A转换子程序

MAX5102的时序如图3所示。选中转换的通道后，/WR为"0"时将数字信号转变成对应的模拟信号，即在数字量为00H～FFH变化的过程中，输出端
对应输出0～Vref电压值。/WR变"1"后数据锁存，输出电压保持不变。

；D/A转换子程序
writ equ p3.3 ；max5102's chip select
a0 equ p3.7
dac：setb a0
mov p1， data1
clr writ
setb writ

结束语

本文所述的智能传感器以研制成功，并小批量试生产，因其具有体积小、成本低、使用简单方便、不易受环境的影响、稳定性好、易于与检测控制系统相连等优点，有着较广泛的应用前景。

参考文献:

[1]. MAX5102 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX5102_1058861.html.
[2]. TLC0832 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TLC0832_1095357.html.
[3]. AT89C2051 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C2051_810086.html.
[4]. AD694 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD694_249157.html.
[5]. MAX813L datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX813L_1019603.html.
[6]. MAXIM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[7]. TSSOP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TSSOP_1539100.html.
[8]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[9]. BCD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BCD_1225719.html.