溫度和相對(duì)濕度的測(cè)量
本部分主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)箱內(nèi)培養(yǎng)區(qū)域的溫度值和相對(duì)濕度值的檢測(cè)。
溫濕度的測(cè)量在科學(xué)研究、日常生活等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。常規(guī)的溫度測(cè)量和相對(duì)濕度測(cè)量是分開進(jìn)行的。數(shù)字溫度傳感器的相關(guān)研究已經(jīng)有很多，而濕度測(cè)量仍主要依賴于模擬傳感器。傳統(tǒng)的模擬濕度傳感器大多數(shù)不僅要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，還要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，故測(cè)量精度難以保證，且其在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意[17]。因此，本設(shè)計(jì)在溫濕度測(cè)量部分，采用了新型的數(shù)字溫濕度傳感器 SHT11。該傳感器具有尺寸小、能耗低、無需額外部件、能自動(dòng)休眠等眾多優(yōu)點(diǎn)。
3.1.1 溫濕度傳感器 SHT11
SHT11 是瑞士 Sensirion 公司生產(chǎn)的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用的工業(yè) CMOS 過程微加工技術(shù)（CMOSensTM 技術(shù)），具有的可靠性和很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè) 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路，在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該傳感器響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)。
①SHT11 溫濕度傳感器的主要特性[18]
l 將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換、I2C 總線接口全部集成在一塊芯片上；
l 可全校準(zhǔn)輸出的相對(duì)濕度和溫度值；
l 帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 總線數(shù)字輸出接口；
l 具有的長(zhǎng)期穩(wěn)定性； l 濕度值輸出分辨率為 14 位，溫度值輸出分辨率為 12 位，并可編程為 12 位和
8 位；
l 濕度測(cè)量范圍是 0 ~ 99%RH，對(duì)于 12 位的分辨率是 0.03%RH；
l 測(cè)溫范圍為-40 ~ +123.8
oC，對(duì)于 14 位的分辨率為 0.01
oC；
l 體積小（7.65 mm ´ 5.08 mm ´ 23.5 mm），可表面貼裝；
l 具有可靠的 CRC 數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；
l 校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在 OTP 內(nèi)存中，使 SHT11 具有 99%互換性；
l 電源電壓范圍為 2.4 V ~ 5.5 V；
l 電流消耗：測(cè)量時(shí)為 550 mA，平均為 28 mA，休眠時(shí)為 3 mA。
②封裝形式、引腳
SHT11 的外觀封裝與管腳如圖 3.1 所示。
圖 3.1 SHT11 的外觀與引腳排列
Fig. 3.1 Outsie view and pin assignment of the SHT11
引腳說明如下：
GND：接地端；DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線；SCK：串行時(shí)鐘輸入；VDD：電源端，接 2.4 V ~ 5.5V；NC：空管腳。
③SHT11 工作原理
[19,20]SHT11 的濕度檢測(cè)運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測(cè)電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除了保持電容式濕敏器件的原有特征外，還可以抵抗來自外界的干擾。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測(cè)量精度高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度和濕度傳感器之間隨溫濕度梯度變化引起的誤差。SHT11 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.2 所示。
圖 3.2 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
Fig. 3.2 Block diagram of the inside SHT11
兩只傳感器分別產(chǎn)生溫度、相對(duì)濕度值得信號(hào)，經(jīng)過放大，分別送到 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，再通過二線串行接口將溫度值和相對(duì)濕度值的數(shù)據(jù)送至微控器，最后利用微控器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。
另外，傳感器上集成了一個(gè)可通斷的加熱元件。接通后，可將 SHT11 的溫度提高大約 5 ~ 15
oC。在高濕度（>95%RH）環(huán)境中，加熱傳感器可以防止凝露，同時(shí)縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間，提高測(cè)量精度。
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