论文总字数：24150字

摘 要

温度与湿度这两个环境因素与人类的生活密切相关，同时它们也在社会的生活与生产中发挥着十分重要的作用。但是当代的许多工业应用中，传统的温度和湿度传感器在一些特定的监测环境下已经不能取得理想的结果，因此集成的温湿度传感器应运而生。集成温湿度传感器的系统通常是以现代传感器为基础的大规模集成电路工艺，这种电路可以使敏感器件、信号调制电路、微型处理器以及通信模块整合在一起。

本文中对MEMS的温度和湿度传感器进行集成系统的开发，该系统包括温度湿度信号采集芯片、中心信号处理芯片等芯片组成。信号采集芯片实现温度信号（电阻量）和湿度信号（电容量）的采集，并可以转换成数字信号，通过主从机模式传送到中心信号处理芯片，以此来实现信号的读出。

为了验证实验，本文设计了与之相关的测试系统。 该测试系统包含通信电路，采集电路。 实验数据表明，温湿度传感器都有较高的灵敏度，温度传感器的线性度与重复度也较好，但是湿度传感器的线性度与回滞特性较差，重复度也一般。

关键词：温湿度传感器，MEMS，测试系统

Abstract

The two environmental factors of temperature and humidity are closely related to human life. At the same time, they also play a very important role in the life and production of society. However, in many modern industrial applications, the traditional temperature and humidity sensors cannot achieve ideal results in some specific monitoring environments. Therefore, integrated temperature and humidity sensors have emerged. The integrated temperature and humidity sensor system is usually a large-scale integrated circuit technology based on modern sensors. This circuit can integrate sensitive devices, signal modulation circuits, microprocessors, and communication modules.

This article develops an integrated system for MEMS temperature and humidity sensors. The system consists of a temperature and humidity signal acquisition chip and a central signal processing chip. The signal acquisition chip realizes the acquisition of temperature signal (resistance) and humidity signal (capacity), and can be converted into a digital signal, and transmitted to the center signal processing chip through the master-slave mode, so as to achieve signal readout.

In order to verify the experiment, this article designed a test system related to it. The test system includes a communication circuit and a collection circuit. The experimental data show that the temperature and humidity sensors have high sensitivity, and the linearity and repeatability of the temperature sensor are also good, but the linearity and hysteresis characteristics of the humidity sensor are poor, and the repeatability is also general.

Keywords: temperature and humidity sensor, MEMS, test system

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1温湿度的表示方法 1

1.1.1温度定义 1

1.1.2湿度定义 2

1.2传感器的性能参数 3

1.2.1温度传感器性能参数 3

1.2.2湿度传感器性能参数 3

1.3温湿度传感器发展现状 5

1.4现有集成温湿度传感器 6

1.4.1数字温度传感器 6

1.5 应用实例 10

1.5.1 温湿度检测网络用于混凝土结构中 10

1.5.2 温湿度检测网络用于土壤检测 10

1.6研究内容 11

1.7 论文结构组织 11

第二章 温湿度传感器测试电路硬件设计 13

2.1 PCap02数据处理器 13

2.1.1 A/D转换 14

2.1.2 芯片的内部储存模块 17

2.1.3 数字信号处理器 19

2.2核心单片机的选择 20

2.3 稳压模块 21

2.4 测试电路的硬件组成 22

2.2本章小结 23

第三章 集成温湿度传感器测试系统软件指令的设计 24

3.1 PCap02的控制 24

3.1.1PCap02内部DSP的指令语言 24

3.1.2 PCap02的软件框图 27

3.2 测试系统的软件组成 29

3.2.1单片机与PCap02通讯 29

3.2.2单片机与液晶显示屏通讯 29

3.4 本章小结 30

第四章 实验结果 31

4.2 实验结果及其分析 32

4.3 实验总结 32

4.4 不足与展望 32

4.5 本章小结 33

第五章 总结与展望 34

致谢 35

参考文献 36

1. 绪论

传感器是一种将物理量（包括一些日常的常见量还有一些化学量、生物量等）转换成按照特定规则处理和传输的物理量的设备。 传感器分为两部分：环境敏感组件和信号转换组件。 其中，环境敏感元件是指传感器中的一个单元，可以直接响应环境中监测到的物理量。信号转换组件是指传感器中的一个单元，它可以将我们在日常环境中采集到的物理信号转换成电信号。传感器可以通过这两部分组件的结合进行对信息的收集、交换以及控制等作用^[1]。

温度和湿度传感器的应用现在在现在以及变得十分广泛。尤其是农业、工业、环境监测等方面。例如现在我们意识到了集成系统在混凝土结构管理中的重要作用，它能实时的监测混凝土结构的恶化情况，并在早期提出预警，因此可以降低维护成本^[2]。同时集成的温湿度传感器在土壤检测方面也起到了重要作用，众所周知对于坡面破坏和土地滑坡而言湿度与温度是重要的检测因素，并且温度与湿度也是控制水能和热能在地表与大气间交换的重要变数，因此对二者的实时监测变得格外重要^[3]。

1.1温湿度的表示方法

1.1.1温度定义

温度是代表物体的寒冷和热量的物理量。在显微镜下，温度的微观表征状态是物体分子在一定环境中进行热运动的强度。再国际中常用温度尺标来对温度的度量进行表示，温度尺标是在测量温度中所使用的最基本的单位，同时温度尺标规定了在测量温度时读取温度的起点。国际标准的温度表示单位是热力学温标（K），但这个温度表示单位并不是日常使用，而多用在理论研究与科研领域。其他还有许多常用的温度表示方法包括有华氏温标，摄氏温标以及国际实用温标^[4][5]。

1. 华氏温标

华氏温标的依据是水银的热胀冷缩原理。科学家依照水银体积随着温度的变化制作了水银温度计，并在彪压下设定了温标值：

1. 冰水混合物32℉。
2. 水沸点212℉。
3. 中间的180份被等分，为每份1℉。
4. 摄氏温标

摄氏温标与华氏温标类似，是科学家在标压下设定的温度值。

1. 冰水混合物0℃。
2. 水的沸点100℃。
3. 中间的100份被等分为每份1℃。
4. 热力学温标

热力学温标在19世纪的中期，由英国科学家开尔文依据卡诺循环原理推论出来。

1. 冰水混合物273.15K。
2. 水的沸点373.15K。
3. 中间的100份被等分为每份1K。
4. 国际温标

国际温标在1990年诞生，常用“T₉₀”表示，单位仍是K，它与摄氏温标“t₉₀”的关系为：

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