内容发布更新时间 : 2024/4/26 23:47:25星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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1.2.1湿度定义

在计量法中规定， 湿度定义为\物象状态的量\。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH% 表示。总言之，即气体中( 通常为空气中) 所含水蒸气量( 水蒸气压) 与其空气相同情况下饱和水蒸气量( 饱和水蒸气压) 的百分比。 湿度很久以前就与生活存在着密切的关系， 但用数量来进行表示较为困难。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等[8]。

1.2.2湿度测量方法

湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理- 化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素，因而影响传感器的合理使用。

常见的湿度测量方法有[9]：动态法(双压法、双温法、分流法)，静态法(饱和盐法、硫酸法)，露点法，干湿球法和电子式传感器法。

① 双压法、双温法是基于热力学P 、V 、T 平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH 以上。

② 静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8 小时。

③ 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃ 甚至更高。但用现代光- 电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。

④ 干湿球法，这是18 世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s 以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH， 干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。

⑤ 电子式湿度传感器法，电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90 年代兴起的行业， 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

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1.2.3湿度测量方案的选择

现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。下面对这两种方案进行比较，以便客户选择适合自己的湿度测量方法[10]。

干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。 干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。

干湿球湿度计的特点：早在18 世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有5 ％~7 ％RH 。

电子式湿度传感器的特点[11]：电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20 年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2 ％~3 ％RH 。

在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2% 左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1 次标定的有效使用时间为1 年或2 年，到期需重新标定。 电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。

湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。

1.3论文的主要内容

本次设计的工作包括：

① 设计方案的设计和功能实现； ② 芯片和传感器的选择； ③ 设计电路以及制作电路板； ④ 程序的设计； ⑤ 模块和程序的调试； ⑥ 总程序的调试； ⑦ 系统的测试与校正。

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2 自动浇花系统的基本理论

2.1土壤湿度传感器

在灌溉系统中，土壤湿度传感器的使用是该系统能否达到适量灌溉的关键，所以土壤湿度传感器的选择就成为灌溉系统的首要问题。

目前市场上主要测量土壤湿度的方法有中子衰减、张力计测湿、介点法速测法[12]。

①中子衰减法虽然快速准确，但此种方法如果屏蔽不好，容易造成射线泄漏，

以致污染环境，危害健康，故不能被采纳。

②张力计式土壤水分传感器是一种广泛成功地用于某些土壤水分测量的传

感器。这种仪表有个多孔瓷头，它通过水的管子与真空表连接。优点是：结构及原理简单，可以在线实时测量，而且可以确定水在土壤内的流动方向和渗透度，缺点也很突出，就是：它的测量范围很大程度上受土质的影响。误差较大，存在滞后和回环，影响测量速度。

③利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简单

的、可靠方法。对一定几何结构的电容式水分传感器，其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系。水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多，电容式水分传感器的特点是精确度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度邺较快，可应用于在线监测实现自动化。

2.2土壤湿度信号转换

本系统采用ADC0832进行转换，下面是单片机对ADC0832 的控制原理：正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。

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当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。

到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

2.3土壤湿度信号调理

土壤湿度传感器的输出电压在0~2V左右，需要将此电压信号经过信号处理模块，进行电压信号放大。以便获得更高的转换精度。信号调理电路

信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等...但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。

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3 系统硬件设计

3.1系统技术指标

测量湿度范围：0～80％ {vol% (m3/m3)} 供电电压：5～12VDC 精度：非饱和范围内为±3％ 显示方式: LED显示。

3.2系统框图

土壤湿度传感器 A/D转换模块 ADC0832 AT89C52 单片机 显 示 模 块LCD1602 键 盘 时钟模块DS1302 执 行 机 构

图 3-1 系统框图

3.3芯片选择

主控芯片选择：

方案一：使用STC系列的单片机，驱动能力强，运行相对稳定，抗干扰能力强，内置A/D转换。与AT系列的相比，性价比更高。

方案二：使用最普遍的AT89S52，熟悉其原理，相关的资料丰富，相对比较便宜，容易购买，使用的过程中有疑问容易在网上找到相关资料或者查阅书刊，但是定时器、中断、ROM等较少，抗干扰能力不强，无内置A/D转换，等其他功能[13]。

综合考虑选用方案二，使用AT89S51单片机作为主控芯片。芯片如图3-2

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