温度湿度测量范文（精选7篇）
温度湿度测量 第1篇
1 元器件选择
1.1 集成温度传感器LM94022
LM94022是一种模拟输出的集成温度传感器, 主要应用于手机、无线收发器、电池管理、汽车、办公室设备及家用电器等。该传感器主要特点包括工作电压低, 可在1.5v电压下工作;工作电压范围宽1.5~5.5v;末级为推挽输出, 有±50μa输出电流的能力;有四种灵敏度供用户选择;测量范围为-50~+150℃;静态电流低, 典型值为5.4μa;精度:20~40℃为±1.5℃;-70~-50℃为±1.8℃;-50~90℃为±2.1℃;-50~150℃为±2.7℃;采用小尺寸s o70封装。
LM94022根据gs 0、gs 1被施加的不同电平有4种灵敏度供用户选择, 本文中采用gs0、gs1都接地, 由于输出电压随温度升高而下降, 其灵敏度为负值。此时灵敏度选择的是-5.5mv/℃。
1.2 湿度传感器HM1500
HM1500是美国Hum ire l公司于2002年新推出的两种电压输出式集成湿度传感器。它是先将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中, 再封装而成的。由于集成度高, 因此不需要外围元件, 使用非常方便。HM1500具有高可靠性与长时间稳定性, 在5VDC供电时, 0~100%RH对应输出1~4VDC线性电压, 温度依赖性非常低。宽量程:0~100%RH, 精度±3%RH (10~95%RH范围) , 它有抗静电, 防灰尘, 有效抵抗各种腐蚀性气体物质等功能。
2工作原理与电路调试
先打开AVR单片机的电源, 通过CVARV编辑的程序先用AVR Studio烧进AVR单片机中。打开SW1开关, 温度传感器LM94022开始工作, 经过它转换得的电信号经单片机的PB1端口传入单片机进行处理。打开SW2开关, 湿度传感器HM1500开始工作, 经过它转换得的电信号经单片机的PB2端口传入单片机进行处理。单片机接收到数据后先经过ADC单元, 将模拟信号转换为数字信号。单片机采用系统内部时钟, 每2ms执行一次, 即接收数字信号。数字信号进入单片机后, 根据指定的灵敏度将它转变为湿度和温度。然后通过单片机的PA口将数据送出, PC口作为数码管的段选。数码管的前三位为显示温度, 数码管的后三位为显示湿度。显示都精确到小数位后一位。同时此系统安装了报警功能, 根据人体的舒适度, 当温度35℃或者湿度大于60%时蜂鸣器会发出报警, 提醒人注意。
3 源程序
摘要：AVR单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域, 使产品功能、精度和质量大幅度提升, 且电路简单, 故障率低, 可靠性高, 成本低廉。
温度、湿度测试仪的设计 第2篇
课题研究背景:
伴随着科技的日新月异, 以及生活水平的不断提高, 高效的温度和湿度的测控成为很多行业的重要工作需求, 然而温度和湿度的精度很难达到指标, 因此研制性价比高的温度和湿度测控系统就非常重要。随着高精度传感器的问世, 温湿度的测控在工业生产过程中得到了非常广泛的应用。
2 系统设计方案
2.1 总体方案
系统的总体设计是整个设计的核心, 是设计完成的最重要的环节, 是开始进行设计的总体框架, 是如何实现设计的基本思路, 是完成设计成果质量的重要保证, 有利于该次设计的顺利完成。
2.2 部分模块设计
该设计主要由温湿度传感器、信号采集、数据显示灯模块组成。本节主要对系统的部分模块设计进行简单说明和介绍。
2.2.1 温度传感器的设计
DS18B20, 其测温范围介于 - 55℃~+125℃之间 , 但在 - 10℃~85℃范围内, 精度较高一般精度大概在±0.5℃;现场温度直接以“一线总线”的数字传输方式, 适合于非常恶劣环境的现场温度测量, 极大的提高了系统抗干扰能力;它还可以支持电压范围在3V~5.5V的工作环境, 使系统设计更加方便、灵活、使用可靠。
2.2.2 湿度传感器的设计
采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101型电容式传感器, 根据其电路构成可以等效于一个电容, 其容量则随着所测空气湿度的改变而变化。其长期稳定性和高可靠性, 快速响应时间, 无需校准的完全互换性, 由顶端接触 (HS1100) 和侧面接触 (HS1101) 两种封装产品, 适用于线性电压输出和频率输出两种电路。其相对湿度在1%RH———- 100%RH范围内;电容量由16p F变到200p F, 其误差应该不大于±2%RH;响应时间也应该小于5S;温度系数则是0.04p F/℃。可知其精度是较高的。
2.2.3 信号采集通道的设计
采用多路分时的模拟量输入通道。
这种结构通道的特点为: (1) 对ADC、S/H要求高。 (2) 反应速度较慢。 (3) 硬件比较简单, 成本较低。 (4) 软件较难, 不可独立编程。
2.2.4 数据显示模块设计
采用数码管作为数据显示模块。数码管现在电子设计中使用频率较高, 每个数码管由7个发光二极管组成, 根据发光二极管的正负极不同, 又可以分为共阴极数码管和共阳极数码管两种, 不同的数码管选择, 程序设计上也有稍微的差别。数码管可以将显示的数据内容很直观的显示出来。通常可以显示从十六进制的0到F中任意一个数字, 每个数码管可以显示一位, 多个数码管连起来就可以显示多位, 对于显示位数比较少的电路中, 编写程序, 外围电路设计都比较简单。但是如果显示的位数较多时, 数码管就显得十分繁琐, 显示的速度也会受到限制。硬件电路设计完成之后, 整个系统显示能力将会被锁定, 从而使他的扩展受到限制。
2.2.5 按键模块设计
按键是标准的输入设备, 本设计采用行列扫描式键盘作为输入设备。
3 软件设计
3.1主程序
系统监控程序的核心是系统的主程序, 它是系统程序的总框架, 控制着单片机系统按预定操作方式运转。系统是对单片机89C52, 它的工作过程是:当系统通上交直流后, 单片机89C52将会进入监控这个状态, 同时将会实现对每个扩展的端口初始化工作。在外面没有监控信息输入的情况下, 系统将会自动采集温湿度传感器数据传出来的数值, 最后将产生的数值在LCD显示器上显示。
3.2 测温度子程序
准备测温时第一次要将DS18B20的DQ设置为高电平, 然后接着将DS18B20初始化, 如果初始化成功后, 那么DS18B20将会收到单片机的要求, 将温度的数值保存起来, 返回。
3.3 测湿度子程序
在湿度监测电路中, 我们将以5V的交流电作为湿敏电阻的工作电压。一般多谐振荡器只有两个暂稳态。
如果我们假设谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间, T=T1+T2。求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为
所以通过周期我们可以求出频率;然后根据频率的变化可以得到湿敏电阻的电阻值间接的得到湿度值。
3.4 液晶显示程序
一开始我们要对液晶显示模块进行初始化, 设置其显示方式等, 然后给出要写上数值的寄存器地址 (即要显示的首地址) , 并指出相应的字符显示位置, 最后把要展现的数值输送到相应的数据寄存器就可以了。但是进行写命令、写数据以及读状态等操作时, 我们都必须遵照规定的时序, 只有我们严格遵照规定的时序输送规定的信号, 这样才能将信号和数据准确无误的表示。
4 系统软件调试
软件调试:
软件调试是为了发现程序中有没有存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。它是通过对用户程序的汇编、连接、执行来实现的。程序运行后进行编辑, 再查看我的程序是否有逻辑的错误。
5 结论
温湿度的检测与控制是现代工业生产过程中比较典型的应用, 本课题研究的是仓库温湿度的检测。本次设计是采用MSC- 51系列单片机中的STC89C52、HS1101和DS18B20构成的温湿度检测的控制系统。文章主要介绍器件的选取, 以及软件部分的设计。
参考文献
[1]梅丽凤, 王艳秋, 张军等.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社, 北京交通大学出版社, 2004.2-4.
[2]曲泊涛.微型计算机系统原理接口与组装[M].大连:大连理工大学出版社, 1999, 42-44
对蓝孔雀人工孵化温度和湿度的试验 第3篇
1 材料与方法
1.1 试验时间与地点
本次试验于2009年2月11日至2009年7月11日在甘肃鸿翔蓝孔雀高科技农业开发有限责任公司进行。
1.2 种蛋的选择、保存及消毒
1.2.1 种蛋的选择
蛋重90g, 椭圆形, 呈淡褐色或白色, 蛋壳薄厚均匀, 颜色协调一致, 尽量剔除过大或过小的畸形蛋、砂壳蛋、破蛋以及被污染严重的蛋。
1.2.2 种蛋的保存
每天22:00拣蛋结束后剔除破蛋和被污染的蛋后及时的入库保存, 蛋库每天用紫外线灯照射10min, 蛋库的温度应在15~18℃之间, 湿度应在55~75%之间, 放置时大头向上每天翻蛋一次, 有助于胚胎的发育, 保存时间不宜超过一周, 否则, 每超过一周孵化率会降低15%。
1.2.3 种蛋的消毒
入孵前首先用30~37℃0.1%的高锰酸钾溶液清洗蛋面, 充分晾干后按高锰酸钾15g和福尔马林30mL/m3的比例, 在25~30℃的温度下熏蒸20min, 然后通风30min后即可进入孵化室进行预热。
1.3 试验设计
三组各选择100枚同一批合格的种蛋, 采用相同的孵化操作方法, 按不同的孵化温度、湿度分为3个试验组, 分别进行孵化效果的观察, 具体设计见表1。
1.4 孵化室的准备工作
1.4.1 孵化室的布置
孵化室要求保温、保湿, 通风条件良好, 室内温度应保持在25~28℃之间, 相对湿度保持在55~60%之间。本孵化室为废弃的教室改建而成, 为土木结构, 为了便于室内温度、湿度的控制, 将多余的门窗重新封掉, 只留下一门两窗用来通风换气, 除地板以外, 四壁和顶棚全部用塑料棚膜覆盖, 这样既有利于室内温度、湿度的控制又能有效的防止因湿度过高而对墙壁造成的损坏。孵化前一周对孵化室、孵化机和相关的孵化用具进行打扫清洗, 最后按照孵化室每立方容积用高锰酸钾15g, 福尔马林30mL的标准, 将药品放入非金属容器内, 封闭环境熏蒸30min, 然后打开门窗通风换气。
1.4.2 孵化机的调试
入孵前对孵化机的电动机, 恒温电气控制系统的水银导电表、电热管、风扇、贮水槽、供湿轮、报警装置等进行检查, 看运转是否正常, 校对温湿度计, 测试机内不同部位的温度、湿度差, 检查蛋盘、蛋架是否牢固, 翻蛋装置加足润滑油后开机试行2~3d, 做好机器运行状况的记录, 另外准备一台应急的备用发电机, 待一切准备工作就绪, 机器运转正常后即可准备入孵。本孵化机的翻蛋角度为90°, 由于孔雀蛋的体积较大, 90°的翻蛋并不能满足孵化条件, 因此在经过多次的试验后将蛋车的第2、4、6层改为蛋盘横放式, 这样可以利用上下层倒蛋盘来使蛋面受热均匀。
2 结果分析与讨论
从表2可以看出, 处理1、2组前、后期死亡率分别为35.7%、29.4%和50.0%、44.0%, 而处理3组前、后期死亡率明显低于其余两组, 为8.1%和12.1%;处理1、2组受精蛋孵化率分别为14.3%和26.4%, 而处理3组明显高于其余两组, 为79.7%。此外, 处理3组的受精率和健雏率也明显高于其余两组。
2.1 1~7d温度、湿度的控制及具体操作
由于孔雀种蛋的壳上膜、蛋壳、气孔和内外壳膜等特殊结构, 孵化前期要求温度、湿度均偏高, 本阶段的温度设定为38.5℃, 相对湿度为65%, 因前期胚体发育较慢, 气体交换较弱, 故风门设为2档, 每两小时翻蛋一次, 满7d时开始第一次照蛋, 因孔雀蛋蛋壳较厚, 照蛋时室内的光线要暗, 并采用功率稍大一点的照蛋器, 本次照蛋以剔除无精蛋和死精蛋为主, 照检时, 如果蛋内容物均匀, 蛋体通亮, 可见卵黄阴影则为无精蛋;如果蛋内颜色发红并带有血丝, 转动时可见黑色眼点即“蚊虫珠”, 则为受精且已发育正常的胚蛋;如果是死精蛋, 照检时可见蛋内容物有血线、血环等分布, 颜色暗淡。处理1组温度偏高胚体发育过快, “蚊虫珠”和“单珠”形成极不整齐, 整体发育较正常平均提前1.5d, 造成孵化前期的死亡率过高;处理2组温度偏低胚体发育缓慢, “单珠”形成期为9d较正常慢2d, 死亡率与处理1组基本相同。
单位:%
2.2 8~15d温度、湿度的控制及具体操作
由于孔雀蛋的含脂率相对较高, 加上中后期产生大量的生理热, 使散热发生困难, 所以在中后期的温度应较前期偏低, 温度设定为38℃, 相对湿度为60%, 风门为3档, 每两小时翻蛋一次, 从第8d开始, 10:00和22:00上下层各倒一次蛋盘, 变换翻蛋角度使蛋面受热均匀, 倒蛋盘是须轻拿轻放, 以减少对胚胎的震荡。满15d时进行第二次照蛋, 本次照检以挑出死胚蛋为主, 此时活胚与死胚的区别就在于, 活胚蛋血管粗大, 分布均匀, 颜色鲜红, 除个别发育迟缓的胚胎外, 在蛋的锐端已看不见完整的透明区, 在气室边缘部位可照到胚胎的活动;死胚蛋则内容物呈透明状, 充满混浊的液体, 蛋内四周血管萎缩或消失, 可见蛋中央部位有黑色块状阴影, 并随种蛋的转动而转动。处理1组温度比较高, 合拢不整齐, 差异明显, 由于在中后期蛋自身产出大量的生理热, 散热困难甚至造成烧蛋和甚至粘壳;处理2组除合拢稍慢以外与处理3组的在该阶段发育基本相同, 温度、湿度基本适宜无异常表现。
2.3 16~21d温度、湿度的控制及具体操作
随着胚体的不断发育, 自体产生的生理热也不断增加, 气体交换加强, 温度下降为37.8℃, 相对湿度仍为60%, 风门上升为5档, 每两小时翻蛋一次, 此阶段为胚胎发育最关键的时期, 当湿度超过75%而又通风不良时, 胚胎会因气体变换差引起酸中毒, 导致胚体窒息死亡。满20d后开始利用倒蛋盘的时间进行喷水凉蛋, 根据具体的情况适时的调节水温, 一般水温在30~35℃之间, 凉蛋的时间长短不等, 根据情况灵活掌握当蛋温降至35℃时又继续孵化。喷水可以破坏壳上膜, 促进尿囊的合拢、促使蛋壳和壳膜不断收缩和扩张, 破坏它们的完整性, 加大通透性、加快水分蒸发和蛋的正常失重, 使气室容积扩大和供氧充足, 同时还可以使蛋壳松脆便于出壳。此阶段3个处理组之间发育基本相同, 无明显差异。
2.4 22~24d温度、湿度的控制及具体操作
温度降至37.5℃, 相对湿度提高到65%, 风门为5档, 翻蛋停止, 每天上下午各喷水凉蛋一次, 具体操作与前一阶段相同。满24d时进行第三次照蛋, 本次照检时活胚蛋除气室外均呈黑色, 气室大而边界弯曲, 在其边缘有时可见有黑影闪动, 并能听到轻微的啄壳声;死胚蛋则气室边界小而平齐, 血管暗淡, 无胚胎活动, 蛋体发凉。本次剔除死胚蛋后按其发育状况即可准备落盘。处理1、2组温度过高, 湿度过大, 封门不完全, 发育迟缓, 封门不完全占40%左右, 且已经出现部分死亡粘壳现象;处理3组中, 80%以上已经完全封门, 只有个别发育迟缓。
2.5 落盘与出雏的温度、湿度的控制及具体操作
25d时进行落盘, 此时的温度应较前期稍低而湿度应较前期高, 以利于出雏, 温度设为37.8℃, 相对湿度提高到70%。出雏时湿度过低会造成胚体粘壳, 出雏困难, 湿度过高则蛋黄又不易吸收, 为了保证合适的湿度, 落盘后每四小时喷水一次。为了上下层之间的污染和雏孔雀因盘底过硬过滑而长时间无法站立造成的残疾, 在出雏盘的底部铺垫0.5cm厚的布毯, 26d晚上开始出雏, 第27d达到高峰时每两小时捡雏一次, 在整个出雏阶段除捡雏时开灯以外, 其余时间均不开灯, 以防止过早的活动而扭伤关节造成残疾, 由于孔雀蛋的蛋壳和蛋壳膜都比较厚, 因此自然出壳时有一定的难度, 到28d时对仍未出壳的蛋进行检查, 此时对还活胚体即可考虑人工助产。首先在气室处开一小孔, 然后通过气室处蛋壳膜即可发现其下呈黑色暗影的胚鸟头部或呈点状突起的喙, 之后轻轻扩大分离蛋壳膜, 使头部完全露出。如人工破壳后发现尿囊血管未完全萎缩, 应将蛋壳破口用湿毛巾或透明胶带封上, 以防止因剥壳过早造成血管破裂, 产生大量出血引起胚鸟死亡。当发现胚鸟头部已露出或蛋壳出现裂缝较长时间仍未能自行脱壳时, 可进行部分人工去壳。首先将气室部分的蛋壳人工除去, 然后根据胚鸟的状态和尿囊血管的发育情况逐渐由上向下剥离, 对过于干燥的蛋壳膜可先以38~40℃的温水喷湿后再继续剥离。一般将蛋壳剥去一半以上时 (保留胚鸟脐孔周围的蛋壳) , 胚鸟即可自行出雏。部分去壳时间过长, 雏鸟体表干涸, 羽毛干燥, 颈部松软, 蹬挣无力, 尿囊血管已完全枯萎, 自行出雏无望时, 可进行人工出壳助产。将附于鸟体外的剩余蛋壳用消毒液侵湿后小心取下, 然后进行脐部消毒。
基于单片机的温度湿度监控系统 第4篇
单片机是一种微型的控制器, 通过对逻辑电路内的芯片集成于计算机系统中, 使具有较轻的、质量较好的、价格较便宜的、开发容易等特点。在计算机微电脑控制器下的温度与湿度的控制系统在国外已经非常的普及, 通过单片机的设计与应用, 可以设计温度的仪表控制系统, 测量与检测系统, 加热加湿控制系统, 按规定对仪器进行加热系统的定时控制系统等等。通过广泛的应用单片机的相关特征, 完成了人们对于电子技术的应用, 越来越多的工作可以通过电子技术完成, 人们逐步的认识到单片机技术促进了人们对于计算机的探究能力的发展, 加深了当代工业革命技术的快速发展。单片机在民用中也得到了广泛的应用, 例如家中的彩电、冰箱、温度调节器、电饭煲等等都是通过计算机内的单片机电脑控制系统, 集成化完成对于系统的有效控制。
1 温度、湿度系统下的单片机控制系统的特点和研究意义
具有时间延迟滞后的温度和湿度的控制系统, 能够适应周围的环境, 对周围复杂问题进行系统的分析和整理, 对于单片机的温度和湿度的控制系统采用自动适应控制、人工智能控制和计算机电脑控制等方法完成单片机系统的温度与湿度系统控制。普通的温度控制系统具有自整数定位的功能, 通过系统学习记录, 可以对历史记录和温度控制系统记录进行计算机变化调整, 保证计算机系统控制最优化。单片机的湿度控制系统具有高的精准度、智能化系统和小型化模式设计。随着计算机家用电器的普及, 越来越多的工作被应用与计算机的设计中, 单片机的智能化设计和管理, 为人类的社会带来了生活上的舒适和工作上的便捷, 开发单片机技术的研究, 保证我国对于微型计算机集成系统的研发力度, 保证在单片机技术发展下, 我国集成系统的快速发展。
本文主要通过利用集成单片机系统对温度和湿度进行有效的控制, 保证系统运行下对于设备温度控制与湿度控制的管理, 针对单片机AT89C51集成系统, 结合数字计算机传感系统和数字电路的设计, 完成对于温度控制和湿度控制, 从而达到智能化控制效果, 降低工作的劳动力强度, 加强单片机AT89C51集成系统下的温度控制与湿度控制的有效性, 完成系统内部整个温度、湿度控制的有效完成效果。
2 单片机系统控制下的温度、湿度控制原理
单片机AT89C51集成系统需要满足对于温度、湿度相关数据的基本测量, 通过温度控制系统和湿度控制系统完成室内温度、湿度有效控制和有效调节, 保证系统的加热和制冷效果, 保证系统的自动喷水效果。当温度高于系统设定的温度的时候, 系统产生报警声, 控制器的喷水开关打开, 制冷系统开始工作, 从而达到降低温度和控制湿度的效果, 当温度低于实际设定的温度时, 加热系统开启, 伴随着加湿器设备开始工作, 是室内温度逐渐上升为要求的温度, 使室内的湿度逐步上升为控制范围内的湿度, 完成单片机AT89C51集成系统下的温度、湿度的有效控制。
2.1 温度与湿度控制系统的分布控制原则
一是加强对系统内部信号的采集工作, 包括温度、湿度相关指标。二是对于信息采集后的处理工作, 即通过计算机系统将信息转换成计算机自动识别的管理系统输出相应的控制指令, 决策信息, 完成计算机系统功能的转变。三是对于系统指令的有效接收和分析输出控制, 保证控制加热器的有效性工作, 实现喷水加湿的效果, 从而完成整个单片机系统的分布控制管理。以下是单片机的结构控制管理图。
2.2 单片机AT89C51集成系统数据采集过程
以单片机AT89C51集成系统为中心的系统控制数据的采集, 对于温度、湿度数据收集以及计算机输入数据的管理, 通过单片机系统集成化运算, 显示在系统的计算机上, 加强完成系统数据的处理过程, 数据信息采用智能的温度控制和湿度控制系统, 保证采集数据的准确性, 采用报警声音显示, 对系统进行有效的控制, 通过对单片机系统的控制开关完成系统的加热控制, 保证室内环境的功能控制。测量温度和湿度的电路通过对室内温度的限制和设定, 保证系统相关设定值的控制范围, 当系统发出报警时, 表示系统内环境的温度已经超出了原设定的温度与湿度, 此时, 系统内的加热系统启动, 内部开关自动闭合, 配合设计中启动加湿系统, 保证系统数据的有效调整。单片机可以进行远程遥控系统控制管理, 对室内的多个控制管理器件进行有效的控制, 保证单片机温度和湿度的管理。
3 单片机AT89C51集成系统的主要硬件设计
单片机AT89C51集成系统是一种带有4K节的闪存器, 具有较低的电压、较高的CMOS八通道高性能微处理系统。单片机对于输入的系统数据, 具有闪存式的可擦除性, 采用了ATMEL高精度的工业化存储系统, 将多功能的单片机集成系统组合在CUP上, 完成系统单片机数据的嵌入, 从而提高灵活性下的低功能控制管理方案。
3.1 单片机AT89C51集成系统的主要特点
单片机AT89C51集成系统具有较强的系统兼容能力, 可以与MCS-51系统兼容, 具有4K字节的可编程FLASH系统存储功能, 具有1000次的可擦除性, 保证单片机写入程序的循环使用, 可以为数据保存10年, 其整体的静态工作有0-24HZ, 具有三极的程序存储锁定程序, 内部RAM为32位的可编程控制系统, 具有32位的I/O总线, 有两个16位的定时器, 有5个中断源, 可以进行串行的通道编程管理, 具有较低的闲置模式和掉电模式。
3.2 测温度的控制电路原理
DS18B20集成温度控制电路是基于半导体原理的温度控制系统电路, 具有较小的体积和面积, 较高的抗干扰能力, 较高精准度, 较好的数据功能。通过对单片机技术的学习, 认识DS18B20集成温度控制电路的传感器设置, 通过一根数据总线完成结构和经济的测量系统的有效构成。DS18B20集成温度控制电路的测量温度范围是零下55摄氏度到零上125摄氏度, 其精准度范围为0.5摄氏度, 可以通过对现场的温度总线进行数字方式的控制, 提高系统的抗干扰能力。DS18B20集成温度控制电路可以测量恶劣环境, 可以在3伏至5伏范围内完成系统封装, 保证在集成系统中的报警温度控制。
DS18B20集成温度控制电路具有全数字的温度控制转换系统和输出系统, 具有先进的数据通信总线, 具有12位的数据分辨率, 精度比例可大0.5摄氏度, 其最大的工作周期为750毫秒, 它可以进行封装处理, 内置PROM限制温度的控制功能, 具有64位的ROM, 内置相关序列号, 具有多种封装方式, 可以使用于不同的硬件系统, 具有负压特性, 保护电源不会造成烧毁现象问题。以下是DS18B20集成温度控制电路的封装。其中, GND是接地信号, DQ是数据的输入和输出引脚, 当需要外接电源供电时, 可以采用与DQ相连, 为外界供电, VDD是可以选择的引脚, 当工作于寄生电源的状态下时, 这个引脚必须接地处理。
DS18B20集成温度控制电路将测量的温度检测与数字数据相互连接, 增加了其抗干扰能力。通过ROM只读存储功能, 对DS18B20集成系统进行编码, 前八位是单线的系统编码, 其编码为19H, 后面的48位是芯片的序列, 最后八位是56位的CRC数据吗检测, 因此, DS18B20集成系统共有64位的ROM。RAM数据的暂存功能是对数据和暂存和内部的存储功能, 数据在掉电后逐步丢失, DS18B20共有九个字节RAM, 每个字节有8位, 1位是温度转换的数据信息, 3, 4位是温度控制值的存储位置, 上电复位后即被刷新掉。第5字节是EEPROM的镜像6, 7, 8是计数寄存器, 从而提高用户对于温度数据的更高分辨能力, 是内部的温度控制转换。EEPROM具有强力的记忆存储能力, 不会造成数据丢失问题。通过对上下温度进行校验, 保证相关数据的使用, DS18B20集成温度控制电路系统采用RAM进行镜像处理。
3.3 测湿度的控制电路原理
测量空气湿度的方式较多, 其主要原理是通过对空气中物质进行分析, 确定其数据可能吸收的水分子量, 从而间接的分析出物质在吸收控制中周围的空气湿度。电容、电阻和湿敏元件是三种应用于湿度测量的方法器件。以HS1101传感器系统为例, 不需要对进行校准处理, 具有较高的长期稳定性和高效的可靠性, 可以快速的响应相关时间, 对侧面数据进行封装, 适用于线路的电压输出和功率调节, 制造流水线数据中的自动装配工作, 保证工作HS1101电容传感器的相对湿度单位为零至100%RH, 电容的范围未162PF至200PF, 其误差分为小于2%PF, 响应的有效时间为5s内, 温度的相关系数为0.04。HS1101电容传感器系统在电路中以一个电容配件的方式存在, 随着系统电容的逐步增加从而测量空气中湿度的变化, 可以采用湿敏元件进行充放电测量, 与震荡电路组成正弦形式的电压信号, 通过放大和转换, 形成数字信号, 另外, 在湿敏电容的555震荡电路中, 通过对电容的变化和电压频率信号的处理, 额可以直接对计算机进行采集测量。集成电视的555芯片外接电阻和与湿敏电容构成充电回路, 通过对芯片内部的晶体管控制构成对C的放电回路, 形成多级的震荡电路, 电阻在电路中还具有一定的短路保护作用和平衡空气湿度的作用。
4 单片机AT89C51集成系统的主要软件设计
4.1 单片机AT89C51集成系统的设计语言
系统采用汇编语言, 即C语言, 以模块化形式进行系统设计。主要对系统内部的主要程序、温度和湿度的检测程序, 电子显示程序等进行系统的测量。以循环的方式完成主程序的工作, 在中断的初始化发展中, 对键盘进行扫描、管理温湿度的检测, 对系统语言进行有效的处理, 从而显示在程序中。C语言具有较高的软模块化, 其机器代码较为准确, 可读性较好、可靠性较高, 准确性较强。所以, 通过对C语言编程控制, 完成软件系统的开发和应用。通过温度、湿度的传感器设置对室内的温度和湿度进行有效的测量, 通过LCD显示湿度值, 比较湿度值与温度值和报警系统直接的关系, 控制好报警系统限制程度, 根据温度和湿度的调节控制实际的光开关控制, 对系统进行定期的温度和湿度管理, 及时将数据上传到计算机内, 软件系统的语言编程, 是通过循环模式完成程序的编写, 对初始化设计, 温度和湿度相关的检测范围, 主要程序的循环条件进行系统调用控制。主程序是对于系统软件控制和管理的主要部分, 通过对系统上电后的初始参数设定, 对中断数据进行有效处理, 从而完成主要温度和初始温度的有效设定, 保证系统各个封装电路的有效系统运转, 完成对于温度、湿度检测, 数据比较控制以及报警系统的数据分析。
4.2 单片机AT89C51集成系统的各个功能模块
通过对程序的温度控制模块、湿度控制模块和初始化模块的相关参数设计, 报警系统的显示和执行模块, 认识具有的各类功能。
初始化模块是将调用的系统进行初始化设计, 温度控制模块和湿度控制模块是对调用的温度子程序进行系统的检测, 对初始化温度的传感器DS18B20系统开始的程序进行系统检测, 启动温度转换模式, 当转换模式完成后, 以二进制代码形式进行数据处理, 将代码转换为温度值, 显示在屏幕上, 而湿度检测的程序是在初始化传感器HS1101上开始的, 通过计算湿度信号的频率完成湿度值的转换和显示。通过调用LCD显示的驱动程序, 完成参数的有效设定, 启动驱动显示模块, 对显示程序进行调节和控制。通过对报警程序的调用, 执行系统显示程序, 从而判断是否超过设定的温度范围和湿度范围, 一旦发现二者数据中有出现超范围情况时, 即直接进入程序的报警系统。
5 结语
综上所述, 本文通过对AT89C51单片机进行温度和湿度的检测设计, 认识温度、湿度系统下的单片机控制系统的基本原理, 介绍了单片机AT89C51集成系统的主要硬件设计和软件编程, 了解在温度控制和湿度控制系统中对于各部分程序的硬件和程序的处理方法, 将温度和湿度进行精准测量控制, 保证AT89C51单片机的温度和湿度的有效检测, 因单片机具有较高的精度和稳定性, 保证了系统的相关数据的有效控制, 合理的完成信息数据的采集和转换, 通过运用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101完成信号的有效采集和处理, 保证单片机系统数据的有效性和准确性。通过对单片机AT89C51控制设计完成温度和湿度的数据管理, 建立起一种集成化、封装式的稳定高精度测量芯片, 以质量好、价格低廉、容易开发的多种特点, 形成现代单片机系统技术的应用, 保证人们生活和工作中, 对于电子产品利用的需求, 通过芯片的电脑识别系统, 完成对于温度和湿度的有效控制, 保证集成化系统的可控性。S
参考文献
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温度湿度测量 第5篇
关键词：陶瓷摩擦学,干摩擦,温度,湿度
0引言
陶瓷材料因具有高硬度、高强度、良好的耐磨性以及抗氧化性而被广泛地应用于机械、航空、化学等工业以及空间技术、新能源开发等新型产业。陶瓷材料在不同环境下表现出来的摩擦磨损性能对其能否良好地服役至关重要。目前, 诸多学者已在陶瓷摩擦学方面做了大量的研究工作,并发现影响陶瓷材料摩擦磨损性能的因素很多,如陶瓷材料的断裂韧度、试验时的载荷、滑动速度、试验持续时间、润滑条件以及环境温度和湿度等。本文综合阐述了几种典型陶瓷材料在室温干摩擦条件下和不同温度、湿度条件下的摩擦磨损性能,并探讨了温度和湿度对陶瓷摩擦学行为的影响机理。
1磨损试验方法及陶瓷磨损机理
为了研究材料的摩擦学性能,保证材料在试验过程中的磨损机理与实际系统的磨损机理一致,需根据实际运行工况对磨损试验进行设计。
1.1磨损试验设计要素
磨损试验主要包括4个基本要素:模拟试验、加速试验、 试样制备和摩擦磨损参数测量。
模拟磨损试验是为了保证试验系统与实际系统之间的功能相似,对试验输入量进行控制。影响模拟过程的重要因素有:试验的配副情况(通常采用3种接触配副,即点接触、 线接触和同曲表面接触)、运动形式(一般有滑动、滚动、旋转和冲击4种形式)、载荷(一般采用弹簧、液压加载或电磁加载等方式施加静载或动载)、速度、润滑状况、运行环境 (污染、温度和湿度)等。
加速磨损试验成本低且周期短,但是若加速不当,材料的磨损机理模拟可能改变。加速磨损通常通过强化载荷、速度或者温度等方式实现,减少界面润滑剂用量或连续运转也具有一定的加速磨损效果。
试样制备是影响试验结果的可重复性或可再现性的重要因素。在制备试样时尽量做到控制两配副材料的表面粗糙度、几何形状、微观结构、材质均匀性、硬度和表面吸附层等因素,以保证试验结果的真实性。
摩擦磨损参数测量包括摩擦因数和磨损量的测量。摩擦因数又称摩擦系数,是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力的比值,是一个没有单位的数值。其与接触物体的材料、表面光滑程度、干湿程度、表面温度、相对运动速度等都有关系;磨损量常用的表征参数有失重、体积损失、 磨痕宽度或深度等,利用SEM(扫描电子显微镜)、STM(扫描隧道显微镜)、AFM(原子力显微镜)观察磨损表面也可以测量微观磨损量。
1.2几种典型配副的磨损试验
典型配副磨损试验主要有:滑动磨损试验、磨粒磨损试验、滚动疲劳试验、颗粒冲蚀试验和腐蚀试验。
在滑动磨损试验中,根据摩擦配副的形式又将滑动磨损试验机分为:销-盘配副、销-平面配副、销-环配副、环-环配副、 销-套配副、环-块配副、柱-柱配副、四球配副等形式,依次如图1(a)-(h)所示。
磨粒磨损试验可分为两体磨粒磨损试验和三体磨粒磨损试验。在两体磨粒磨损装置中,其中一个运动部件是磨削体。在三体磨粒磨损装置中,研磨粒介入接触界面。磨粒磨损试验可将滑动磨损试验装置中的一个表面换为磨削材料或介入研磨颗粒即可。
滚动疲劳试验评价的是滚动接触材料或润滑剂的摩擦学性能,如齿轮和滚动轴承的磨损性能就可以利用滚动疲劳试验进行模拟。
颗粒冲蚀试验采用气喷试验装置从颗粒给料器把冲蚀颗粒输送到颗粒与气流混合腔,然后将一定体积的冲蚀颗粒直接喷到一个或多个试样上。
腐蚀试验是利用材料与环境发生的电化学或化学作用通过电解腐蚀试验和加速腐蚀试验两种方法来测试材料的腐蚀性并预测实际条件下的零件寿命。
1.3陶瓷磨损机理
陶瓷属于脆性材料,滑动摩擦时,陶瓷表面断裂的临界载荷比静态下低得多。在摩擦过程中,摩擦表面产生连续变迁的间隙局部应力集中,进而产生微裂纹。由于陶瓷中晶界的阻挡,迫使微裂纹无法进一步扩展,只能聚集而导致微区脆性断裂。图2为室温下陶瓷磨损面上呈现出典型的微区脆性断裂特征,图框内则可以看到明显的微裂纹现象。
陶瓷配副在室温的塑性比金属的延展性小很多,因此, 断裂韧度是影响陶瓷磨损的重要因素,对于低韧性的陶瓷材料来讲,其磨损机理主要是微犁耕、轻微刮擦;而高韧性陶瓷材料的主要磨损机理是裂纹扩展和剥落[1]。一般情况下,材料的硬度越高,耐磨性就越好,但耐磨性不能仅以硬度、抗弯强度或断裂韧性等来表征。同时,工况条件(滑动速度、载荷以及温度湿度)对陶瓷配副的磨损机理也有着重要影响。
至今,陶瓷材料的力学性能和耐磨性之间尚未找出完全对应的关系,还有待进一步研究。
2常见陶瓷材料在室温下的干摩擦研究
室温干摩擦条件下,陶瓷材料在配副摩擦的过程中,一般表现出较高的摩擦因数和磨损率(指被磨试样的体积与磨擦功的比值,即单位摩擦功所磨试样的体积,反映了材料的耐磨性能,与磨损量相关)。Czichos等研究认为,陶瓷/陶瓷配副的摩擦因数一般大于0.5,磨损率一般高于10-6mm3/ (N·m)[2,3],而金属在相同条件下摩擦因数相对较低,如在室温下铸铁自配副干摩擦时的摩擦因数为0.18,相同条件下钢和铸铁配副时的摩擦因数为0.2。对于陶瓷自配副时的高摩擦因数现象,究其原因,主要是陶瓷摩擦时所发生的断裂、 疲劳和剥落等导致的高摩擦因数和磨损率。陶瓷材料在室温干摩擦条件下的摩擦学性能依陶瓷类型各有不同。
2.1室温下非氧化陶瓷的干摩擦
2.1.1Si3N4陶瓷
非氧化物陶瓷中目前应用最为广泛的是Si3N4基陶瓷 (含Si3N4)。赵明等[4]采用MM 200型环块摩擦磨损试验机在载荷50N,转速400r/min,磨程15000m的无润滑试验条件下进行了Si3N4自配副摩擦磨损试验,结果表明,磨损量较小,为3.7mm3,摩擦因数稳定后保持在0.2。摩擦表面较为平滑,仅发生了晶粒断裂和脱落;而同试验条件下,Si3N4/SiC配副时的磨损量则为18.2mm3,摩擦因数为0.75。这是由于SiC硬度高,极易对Si3N4表面产生 切削和犁 耕,导致Si3N4产生较高磨损率。
孟凡英等[5]对Si3N4基陶瓷材料摩擦磨损特性进行了深入研究,结果表明Si3N4自配副时,摩擦面上会由于应力集中而产生微裂纹,不利于摩擦,摩擦因数稳定在0.3。
据Evans-Marshall的横向断裂机 理[6],在Si3N4/Al2O3配副时,Si3N4的硬度和断裂韧性均比Al2O3的高,而Si3N4的摩擦氧化反应使磨损面上形成的氧化物膜对Al2O3磨屑有较强的吸附力,并形成Al2O3磨屑吸附层,以致表现出低的摩擦因数。
刘敏等[7]在研究Si3N4/SiC配副时也发现,由于高硬度的SiC对Si3N4表面产生切削和犁沟现象,从而表现出较高的摩擦因数。Si3N4材料的磨损也比较严重,且低断裂韧性的SiC容易出现脆性剥离,磨损体积损失比较大。
赵兴中等[8]在研究Si3N4/45号钢摩擦副在干摩擦滑动条件下的摩擦学性能时发现,陶瓷/金属配副时由于原子间吸附力,摩擦面上会作用产生粘着磨损,同时由于陶瓷材料塑性低,抗拉强度较低,所以微断裂磨损也常常发生。
2.1.2SiC陶瓷
非氧化物陶瓷中SiC陶瓷也是一种常见的陶瓷材料,其硬度高,仅次于金刚石、立方BN等少数物质[9]。由于SiC陶瓷摩擦学性能对环境因素(温度、湿度等)更为敏感[10],空气中的水汽在摩擦表面产生吸附层,吸附层在摩擦时降低了摩擦因数,而表面的主要磨损机理为断裂和犁削磨损[11]。
Cranme[12]也报道了相似的结论,在室温(25 ℃)、滑动速度为0.5~5.5m/s、载荷为225N和450N条件下,对SiC自配副摩擦表层的塑性变形、犁耕磨损表面层断裂和磨屑犁耕断裂进行SEM(扫描电子显微镜)分析,发现断裂和犁削磨损是SiC陶瓷在室温下主要的磨损机理。Martin等[13]还在研究α-SiC自对偶在真空中摩擦面的氧化时发现氧气的存在会大大地减小摩擦因数。
2.2室温下氧化陶瓷的干摩擦
2.2.1Al2O3陶瓷
Al2O3陶瓷是在工业中广泛应用的一种陶瓷。Al2O3陶瓷自配副时,载荷和滑动速度为摩擦磨损性能的主要影响因素。曹同坤等[14]在研究Al2O3、Al2O3/TiC与Al2O3/(W, Ti)C三种陶瓷刀具材料时发现,随着试验载荷的增大磨损率呈上升趋势、摩擦因数呈下降趋势。当Al2O3与合金对磨载荷为50N时,摩擦因数最大,为0.85左右。当载荷为110 N时,摩擦因数最小,为0.42左右。
Al2O3陶瓷在与不同金属配副时,其摩擦磨损性能的表现也会大相径庭。Dong[15]研究发现,Al2O3与钢配副时的磨损量远远低于其与钛合金配副时的磨损量,结果相差3个数量级,说明与钛合金配副时其耐磨性表现极差。Al2O3/钢配副时,陶瓷表面形成钢的转移膜,使得Al2O3与钢的摩擦转化为钢与钢的摩擦,从而降低了Al2O3的磨损量。
2.2.2ZrO2陶瓷
在氧化物陶瓷中ZrO2由于突出的综合力学性能,也正在成为广泛使 用的氧化 物陶瓷之 一。根据黄传 真等[16]对ZYA30(70% 3Y-TZP和30%Al2O3)ZYW35(65%3Y-TZP和35%(W,Ti)C)两种材料进行摩擦学性能试验,发现在相同磨损条件下,ZYA30的耐磨性能比ZYW35好。两种材料的磨损机理基本相同,低载荷下主要 是塑性变 形和粘着 磨损,较高载荷下主要是塑性变形和分层剥落。
孙兴伟等[17]对ZrO2/Cr12钢在干摩擦条件下进行试验, 发现摩擦因数在0.4~1.0之间,磨损机理为粘着磨损和疲劳磨损。在摩擦过程中ZrO2表面形成的粘附膜,可抑制摩擦副的磨损行为。当高载荷时,ZrO2表面发生了少量的马氏体相变,它能有效地抑制材料由于脆性剥离而产生的磨损,使得载荷增加时磨损量降低。
总体来说,在室温干摩擦条件下,大多数陶瓷没有较好的摩擦学表现。陶瓷与陶瓷摩擦时,由于脆性都比较大,其磨损机理多表现为断裂、疲劳和磨粒磨损;而陶瓷在与金属对磨时,金属的硬度较陶瓷低得多,陶瓷容易对金属造成切削,磨损机理多为粘着磨损。
3温度对陶瓷摩擦的影响
材料的摩擦磨损性能是一个综合性能的表现,受众多因素影响,其中温度对摩擦磨损性能的影响最为明显。但是目前温度对材料的摩擦磨损性能的影响还没有形成一个统一的共识。主要有两点:(1)温度的变化会影响摩擦面表面膜和吸附层的形成,而表面膜和吸附层则会对陶瓷材料的摩擦磨损性能产生影响;(2)摩擦过程中,温度会改变摩擦表面层物相组织和晶粒的结构,从而影响陶 瓷材料的 摩擦磨损 性能。
Labruquere等[18]解析了高温时陶瓷材料的摩擦学性能。 高温会促使摩擦面的摩擦化学反应,而反应最终会生成致密氧化层还是直接发生氧化腐蚀,尚待进一步的研究和完善。
3.1SiC陶瓷
常春等[19]在研究SiC在高温下的摩擦磨损性能时发现, 在1360 ℃以下,SiC表面的SiO2氧化层具有抗氧化性能,耐磨性稳定;随着温度升高到1360 ℃以上,表面氧化层厚度增加,抗氧化性增强;高于1520 ℃后,表面的SiO2氧化层处于熔融态,流动性较好,使内部易于形成孔洞,为氧的进入提供通道,破坏了氧化层的保护作用,SiC快速氧化,耐磨性下降。
肖汉宁[20]也得到类似结论,SiC的高温磨损机理由塑性变形和剥离所控,其在高温条件下可获得较好的耐磨性,是由于SiC陶瓷裂纹扩展所需的临界应力强度将随温度升高而降低。此外高温有利于SiC陶瓷发生自润滑,改善摩擦学性能。
周松青[11]从晶粒结构方面解释了SiC在高温时的耐磨性。他在对SiC高温磨损层进行显微结构分析时发现,晶粒的尺寸会影响SiC高温时的摩擦磨损性能。晶粒越细小,晶界界面越多,则利于摩擦氧化反应。α-SiC晶粒比β-SiC晶粒粗好几倍,在600~1000 ℃、载荷为0.2 MPa、滑动速度 为0.2m/s的条件下进行试验,发现 α-SiC的磨损情况比β-SiC要严重很多。
3.2B4C陶瓷
赵能伟[21]研究发现,B4C陶瓷的常温化学性质稳定,耐磨性非常高,但在高温(730 ℃时)空气中会产生致密表面氧化膜B2O3,抑制氧与B4C的进一步反应。持续升温到高于850 ℃时,B2O3的挥发度增大且热膨胀系数大,陶瓷容易发生龟裂,不再具有高温耐磨性。
3.3Si3N4陶瓷
陈雪梅[22]在温度对Si3N4/3Cr2W8V钢摩擦副的试验中阐述了陶瓷表面的金属粘附物会影响摩擦磨损性能,室温时钢盘的强度高,陶瓷销上的金属粘附物少,无法形成有效的分离层,磨损机理为微区脆性断裂,磨损严重,磨损率为3× 10-6mm3/(N·m)。而在高温(600 ℃)下钢盘软化,陶瓷表面出现较多的金属氧化物粘附,摩擦面逐渐转为钢/钢接触, 极大地缓和陶瓷磨损,此时的磨损量为5×10-7mm3/(N· m)。同时,摩擦接触点处的闪点温度要高于环境温度,更大程度地促进晶界玻璃相粘性流动。
3.4Al2O3陶瓷
张辉等[23]指出,Al2O3/TiC基陶瓷刀具在高温下的氧化作用对摩擦磨损有显著影响。高温下陶瓷刀具随着环境温度的升高,磨损量升高,数值在(4~9)×10-7mm3/(N·m) 之间。摩擦因数先升高,在600℃ 时开始下降,摩擦因数在0.1~0.4之间,这是因为在600℃时,TiC相发生高温氧化反应(2TiC+3O2→2TiO2+2CO),摩擦表面生成的TiO2氧化膜对摩擦面有润滑作用。周仲荣等[24]也指出Al2O3陶瓷在添加TiB2后也可以表现出良好的高温自润滑性。
综上所述,陶瓷材料在高温条件下的摩擦多有利于生成氧化膜或形成磨屑层,磨损机制从以磨粒磨损为主转变成以化学磨损为主,从而改善陶瓷材料的摩擦磨损性能。在这种情况下,陶瓷材料的高温自润滑特性已 日益引起 学者的关 注,相关研究已经大幅度地展 开,并发现SiC、Al2O3、ZrO2、 WC等[25,26]陶瓷材料均有可能在高温下发生自润滑现象,这就为促进陶瓷材料在高温工况下的推广应用提供实验依据。 当然,关于陶瓷材料在高温工况下获得自润滑性能的具体环境要求和摩擦磨损数据还有待进一步完善和探讨。
4湿度对陶瓷摩擦的影响
陶瓷材料的摩擦学行为对水分子的存在十分敏感,故外部环境的湿度情况对陶瓷材料的 摩擦磨损 性能影响 较大。 而湿度因素对不同的陶瓷材料摩擦学性能的影响机制也不尽相同,其体现出来的研究结果亦存在差别。
4.1湿度对氧化物陶瓷的影响
对于氧化物陶瓷而言,湿度对其摩擦学性能的影响会导致两种结果:(1)湿度增加使陶瓷材料出现静态疲劳现象,陶瓷表层位错活动能 力增加,表面塑性 增大,会使磨损 加剧; (2)湿度增加利于陶瓷与空气中的水蒸气和氧气发生摩擦化学反应,生成氧化膜,改善摩擦磨损性能。
4.1.1Al2O3陶瓷
Bharat Bhushan[27]报道,Al2O3陶瓷的摩擦因数和磨损率都会随着湿度的增大而增大,这是因为裂纹尖端的金属离子与氧化物离子的结合键受到水分侵蚀之后,裂纹扩展速度加快,导致磨损率增大。
Kapelski[28]研究了Al2O3的摩擦因数和磨 损率受相 对湿度的影响时也得到了这样的结论,在相对湿度为20%时, 摩擦因数为0.08,相对湿度增加到80%时,摩擦因数增加到0.19。但是也有学者认为Al2O3在潮湿的环境下摩擦面将生成氢氧化铝膜,对摩擦起改善作用[9],这主要取决于试验条件和Al2O3表面的粗糙程度。
4.1.2Y-TZP陶瓷
Basu[29]的研究也证实了湿度影响的第二种结果,Y-TZP (氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷材料)在不同相对湿度条件下干摩擦,随着湿度的增加,磨损率降低。试验结果显示在RH 5%和RH 50%条件下主要磨损机制是塑性变形并伴随分层,而在RH 85%~90%条件下形成的磨屑的XPS分析表明高湿度下主要磨损机制是化学磨损。
4.2湿度对非氧化物陶瓷的影响
对于非氧化陶瓷,湿度对其摩擦学性能的影响一般是有利的。非氧化物陶瓷暴露在潮湿的空气中可以生成氢氧化物表层,而表层膜会改善陶瓷的摩擦磨损性能。
4.2.1Si3N4陶瓷
在摩擦过程中,Si3N4陶瓷与大气环境下的O2、H2O发生的摩擦 化学反应 (Si3N4+3O2→3SiO2+2N2,Si3N4+ 6H2O→3SiO2+2NH3,Si3N4+H2O→SNxOy)产生的氧化膜以及氢氧化膜是降低摩擦磨损的主要原因。
宋宝玉[30]试验时发现,在加湿的气体中Si3N4的磨损量比干燥气体中小。因为水蒸汽以化学吸附的形式附着在摩擦表面,形成一层吸附膜,这层膜起到润滑剂的作用,所以磨损量较小。而对于干燥气体,因为没有吸附膜的作用,所以磨损量较大。
Bharat Bhushan[27]也得出了Si3N4自配副时磨损率及摩擦因数随相对湿度增大而降低的结果。他描述了Si3N4表面发生的水合 作用 (Si3N4+6H2O→3SiO2+2NH3,Si3N4+ 2H2O→Si(OH)4),指出生成的氢氧化硅薄膜较柔软而且抗剪强度较低,因此使摩擦因数和磨损率降低。
4.2.2SiC陶瓷
Boch[31]的研究也表明,湿度的提高利于SiC摩擦学性能的改善,在湿度为5%时,SiC/SiC配副的摩擦因数为0.95、 磨损率为3.6×10-6mm3/(N·mm);而在空气中相对湿度为75%,摩擦因数为0.43、磨损率为0.2×10-6mm3/(N· mm)。说明相对湿度的提高,增加了水汽在SiC/SiC摩擦表面的吸附和润滑作用,降低了摩擦因数和磨损率。
陈宇红[32]在研究湿度对SiC陶瓷摩擦磨损性能的影响中也得到了相同的结果,并且发现复相陶瓷SiC-TiC-TiB2在不同湿度下都可以表现出稳定的摩擦行为,显示出其在摩擦领域很好的应用前景。
湿度对陶瓷材料的摩擦磨损性能影响究其原因是摩擦化学反应的作用,而反应表面膜的吸附、润滑或者是抗剪性能均会对陶瓷摩擦学性能产生进一步的影响。一般情况下, 陶瓷材料在使用过程中不可避免地与 水汽或者 水接触,因此,明晰湿度对陶瓷摩擦性能的影响是非常重要的。但不同试验条件、试验方法和试验参数均会使研究结果表现出较大的差异,湿度对陶瓷材料摩擦磨损性能的影响机理目前还未有统一的结论。
5结语
本文讨论了陶瓷材料在不同环境下的摩擦磨损性能,重点从干摩擦条件、温度和湿度3个方面阐述了典型陶瓷的摩擦学性能。可以看出,在干摩擦的条件下,大多数陶瓷材料的摩擦学性能较差,很难满足工程应用,原因是陶瓷自配副对磨过程中发生断裂、剥落以致磨粒磨损,与金属配副摩擦时磨损机制以粘着磨损为主,使其表现出高的摩擦因数和磨损率。温度对陶瓷材料摩擦磨损性能具有极大的影响,并且在高温下大部分的陶瓷材料都表现出较好的耐磨性,究其原因为高温有利于氧化膜的生成,从而改善了陶瓷的自润滑性能,这对拓展陶瓷材料的工程应用是极为有利的。此外,湿度对陶瓷材料的影响也不容忽视,其影响主要表现在水汽与陶瓷摩擦表面反应生成的表面膜,表面膜的形成有效地保护并润滑摩擦表面,降低摩擦因数和磨损率。
温度湿度测量 第6篇
由于受到季节,环境,通风情况等条件的影响,家庭室内的温度和湿度在不断变化。最适宜老人,儿童和宠物生活的温度一般在24~30℃,湿度在40%~50%。据生理学家实验研究表明,室内温度过高时,人体的体温调节功能受到影响,会出现神疲力乏、头昏脑胀的情况,如果室内温度过低,则会使人体代谢功能下降,呼吸和脉搏速度减缓,减弱呼吸道黏膜的抵抗力,从而引发一系列的呼吸道疾病。而湿度过大有可能引起感冒等病症。因此,一套合适的室内温湿度监控系统对家人的健康有着至关重要的作用。
2 当前无线数传技术的发展趋势
在现在这个信息世界,信息的获取和传输也慢慢从有线过渡到无线。现如今,无线数传技术在各个行业得到了广泛的应用,例如数据采集,远程海洋渔业监控系统,热网与气网监控,报警系统,安全防火系统等。无线数传技术最大的优点在于,提高了数据传输的效率。无线数传模块对于传统的电缆传输而言,不仅成本相对低廉,建设所需要的时间周期较短,而且还具有适应性好,扩展性好的特点。有线系统不仅对地形环境有要求,受限性大,而且在扩展新的设备时需要重新布线,比较麻烦。所以,无线数传技术广泛应用于遥感、遥测、小型无线网络,适用于低功耗、结构简单的系统。
3 室内温度湿度监控系统的组成
因为使用电缆传送费钱费力,所以室内温度湿度监控系统中采用无线通信进行数据传送。本设计采用单片机、无线数传技术、温度传感器、湿度传感器、组成无线室内温度湿度监控系统。系统利用远程终端单片机收集室内的温度、湿度等数据,通过无线数据传输模块上传给主控单片机,主控单片机利用有线系统与PC机相连,控制远程终端单片机。系统框图如图1所示。
3.1 RT9001
系统中使用的无线数传模块RT9001采用的是低静态电流,一般为220μA,输出电流控制在600m A,宽工作电压范围是3~5.5V,瞬态响应迅速,可以进行精确无误的负载和线路调整。RT9001具有限流保护、热关断保护等保护装置,而且可以定制电压。RT9001在CD/DVD-ROM,CD/RW,电池的供电的设备中得到了广泛的应用。RT9001应用电路如图2所示。
3.2 STC单片机
STC单片机全称为STC12C5620AD单片机,是单时钟/机器周期的单片机。STC单片机具有高速率,低功耗,抗干扰能力强等特点,是新一代的8051单片机。不仅可以完全兼容传统8051的指令代码,而且单片机执行速度快10倍左右。内部集成MAX810复位电路,4路PWM,8路高速的10位A/D转换。本系统采用STC单片机因为其具有很强的抗干扰能力。STC单片机有ESD保护,其引脚可以通过2k V/4k V的快速脉冲测试,即EFT测试,而且STC单片机采用宽电压供电,对电源抖动不敏感。其次,STC单片机对外电磁辐射强度较低,在掉电模式下功耗小于0.1A,空闲模式下也仅为2m A,拥有低功耗的优点。STC单片机内部集成了810专用复位电路,吸取了51单片机很容易破解的教训,改进了加密机制,在简化单片机外围电路的同时,极大地提高了单片机的可靠性。单片机与无线数传模块的连接如图3所示。
3.3 温度、湿度传感器
本系统采用的是数字温度传感器DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的世界上第一片“一线总线”接口的温度传感器,可以程序设定9~12位的分辨率,测量温度范围是-55~125℃,在-10~85℃的范围内,精度为±0.5℃,现场温度直接按“一线总线”的方式传输,极大地提高了系统的抗干扰能力,可以在任何恶劣的环境下测量现场温度,使得系统的设计更加的灵活方便,而且体积小,价格低廉。
系统的湿度传感器采用HONEYWELL中的集成湿度传感器HIH3610。HIH3610湿度传感器具有湿度仪表级测量性能,SIP封装,线性放大电压输出,驱动电波为200u A。可工作的温度范围在-40~85℃,精度为±2%RH,且5VDC恒压供电,可在5秒内快速响应,具有很强的抗化学腐蚀性能。传感器输出电压为:VOUT=VSUPPLY[0.0062(SENSOR RH)+0.16]。所以,HIH3016湿度传感器满足系统所需性能指标。DS18B20与STC单片机连接图如图4所示。
3.4 软件程序设计
在需要检测的室内环境中放置终端节点,节点与温度传感器和湿度传感器模块连接。一般情况下,系统采用低功耗方式,需要检测时进行A/D转换,数据上传等功能。读取温度,湿度传感器的检测参数后,进行运算并且储存和显示,然后完成对数据的发送,并进行下一次的参数收集。
室内监控系统利用系统软件作为平台,开发周期短、具有完善的图形界面。系统具有监控系统画面,可通过编写策略脚本实现系统的模拟运行,不仅具有很强的安全性,还可以操控系统菜单,根据不同的室内环境要求,对系统内的各个功能进行调节。
4 结语
本系统可实现对室内温度和湿度的实时检测,并通过射频将实时监测数据传送给计算机,结合数据库对室内的环境进行处理。系统主要采用无线数传技术,对终端节点的设置并不是固定的,可根据实际情况选择节点的数量和位置,主控单片机利用有线系统与PC机相连,控制远程终端单片机。整个系统采用的设备价格低廉,可用于精度要求不高的日常生活中。
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温度湿度测量 第7篇
1 技术应用背景
目前智能手机等移动通讯终端, 通常都带有4脚3.5mm立体声耳机接口, 这就给智能手机带来通用接口扩展应用的可能性, 或许有人会想到PC上通用的USB接口, 然而我们发现在智能手机不断演进发展过程中, 尽管逐步过渡到支持micro USB接口, 但是仅局限于USB device接口功能, 虽然支持USB OTG功能的手机也有不少, 但并不能保证市面所有的手机都支持。而智能手机支持耳机接口, 却是绝对所需必配, 因此研究通过手机耳机接口作拓展应用, 似乎是必然之路。
2 系统组成与原理
本智能手机侦测环境温、湿度参数系统, 如图1所示系统由来自耳机端口环境温湿度侦测外设和智能手机所组成, 其中耳机端口外设主要由耳机端口MIC与GND自动侦测与自动切换电路, 电池供电开关电路, 耳机输出L声道信号整形电路, MIC信号整形发送电路, 低功耗32位MCU单片机电路, 专业级温度、湿度传感器等组成。
3 工作原理
耳机端口外设装置将负责完成环境温、湿度参数测量采集, 在相应的智能手机APP程序支持下, 智能手机显示屏将可直接显示环境温度、湿度曲线。为了达此目的, 这就需要建立耳机端口外设与智能手机数据通讯机制:数据传输的具体方式中, 外设装置通过插入手机外置话筒音频输入接口或音频线路输人接口的连接线发送数据信号给手机, 外设装置通过插入手机的外置耳机音频接口或音频线路输出接口的连接插线, 接收手机发送出的数据信号。很显然手机耳机端口只能直接传输音频信号, 耳机线传输一般是1250Hz~9600Hz之间的交流音频信号。要进行数据传输, 信号就需要进行编码调制发送, 接收时解调解码频率为9600Hz和4800Hz的音频信号。本方案则采用标准的曼彻斯特 (Manchester) 线路编码, 来进行数据传输, 如果把耳机接口终端作为主导装置, 则由其产生位时钟信号、命令选择信号和数据。外设装置通过耳机音频输入/输出接口与智能手机进行数据通信, 数据信号在主控模块中进行编解码处理, 再通过控制装置读取、写入外部介质, 并存储数据。实现的主控模块电路可选用低功耗的A R M微控制器, 内部有可编程工作寄存器, 可以方便地与主机通信, 但要有自己的数据协议, 主控模块对双向信号进行编解码处理的过程: (1) 主控电路模块将读写装置需传送的曼彻斯特编码数据信息解码成国标数据, 再编码为差分曼彻斯特编码数据信号, 送到连接手机MIC接口或线路音频输入接口的传输线上。 (2) 主控电路模块从连接手机耳机接口或线路音频输出接口如输出L声道的传输线上, 接收差分曼彻斯特编码数据信号, 解码成国标数据, 再编码为标准曼彻斯特编码数据信息, 送入MCU内置的读写装置。该读写装置将负责完成环境温度、湿度数据采集。
本耳机外设解决方案使用曼彻斯特编码来实现智能手机和EFM32ZG108微控制器间的通讯。不进行载波调制与解调, 直接在音频线路上传输数据编码信号。具体协议机制如下:基于音频输入/输出的数据传输方法是一种串行通讯方法, 参考标准同步串行通讯协议, 采用差分曼彻斯特编码, 曼彻斯特编码总会在每一位的中点产生一个边沿跳变, 在每一位的开始位置也可能会有一个边沿跳变 (这决定于传输的数据) 。在每一位中点的跳变方向表明数据。在位传输的边沿所产生的跳变并不表明数据信息。它们的存在只是让信号处于正确的状态以便允许每一位中点的跳变。存在有保证的跳变允许信号能自同步, 并且允许接收者能正确地匹配数据;如果数据不匹配, 接收者能通过识别每一位中点, 即在每一位的周期里不会一直有一个跳变, 如图2所示, 数据传输是双工方式, 从手机输出数据的传输使用音频输出线路, 进人手机的数据传输使用音频输入线路, 发送数据前让总线空闲准备, 提示接收方做好接收准备。
4 智能手机与耳机外设数据传输的软硬件设计
从硬件外观体积设计得小巧出发, 整个环境温湿度侦测耳机外设将有采用3.0V/50m Ah CR1225钮扣电池供电, 内置的电路设计具有不插入智能手机耳机, 电池将不耗电;插入耳机后, 手机APP激活后, 电池才会对整个耳机外设系统供电。为了能做到系统长时间待机续航使用, 主控MCU (微控制器) 特意选用了超低功耗微控制器EFM32ZG108F16, 它是基于ARM Cortex-M0+CPU内核, 低成本32-bit MCU, CPU频率能达到24MHz。由于EFM32ZG108F16低功耗的性能, deep sleep (深度睡眼) 模式0.9 m A, 此时内部的模拟电压比较器与C P U均仍然工作;Stop模式0.5m A;Shut off模式20n A, EFM32ZG108F16是耳机外设解决方案理想的微控制器, 微控制器负责处理所有的硬件接口和软件协议处理, 通过智能手机标准的3.5mm音频接口实现了智能手机与微控制器之间的通讯, 该微处理器软件运行固件使用内部12MHz RC (IRC) 振荡器作为时钟源, 基于数据传输速率只有1.4kbps, 程序实际运行可工作于1MHz, 微控制器耗电仅为114m A;一旦手机A P P发出退出测量模式命令, 耳机外设主控可进入深度睡眠模式 (内部32.768k Hz RC振荡器作为时钟源) , 耗电只有0.9m A。
针对环境温度、湿度参数检测, 这里将选用瑞士Sensirion AG全资子公司——盛思锐温湿度传感器SHT21, S H T 2 1内部由电容式相对湿度传感器、带隙温度传感器、运放、A/D转换器、OTP存储及数字处理单元所组成、支持I2C总线接口输出, 工作时功耗较低:3.2m W (8位测量, 1次/秒) , 3V供电时, 测量耗电只有300m A, SHT21相对湿度工作范围为湿度0-100%;温度工作范围:-40-+125℃ (-40-+257°F) ;湿度响应时间为8秒 (tau63%) 。
如图3所示主控制器与温湿度传感器以I2C总线进行数据采集通讯。
4.1 耳机连接物理接口电路
本方案兼容这两种耳机接口标准, 通过如图4电路, 硬件自动识别耳机接口并进行对应硬件配置, 该麦克风与地自动判别自适应电路包含地信号自适应电路和麦克信号自适应电路, 当该电路插入到手机耳机端口后, 能根据所插入的耳机接口类型, 自动调整外设备端的麦克风信号和地信号极性, 达到适应不同的手机耳机接口的目的。如图4所示所述地信号自适应电路, 由分别接至麦克信号与地信号的MOS管Q3或Q4和偏置电阻R24或者R27所组成, 该MOS管选用N沟道MOSFET 2N7002, 利用手机地信号和麦克信号的特性来自动调整相应的地信号同设备地连接。所述的麦克信号自适应电路, 由两个分别接于地信号和麦克信号上的二极管D6和D7组成, 所述的两个二极管的正极端分别接至地信号与麦克信号, 负极端与设备端MIC信号连接, 利用手机麦克信号的直流偏置来自动调整相应的麦克信号同设备端麦克信号连接。
4.2 数据传输模块的软件设计
耳机外设温湿度测量解决方案需要执行两个软件程序:
●运行在智能手机上的应用APP程序;
●运行在耳机外设EFM32ZG108F16微控制器上的嵌入式固件。
通信双方的手机与耳机外设终端采用软件方法实现。左声道被用作手机至耳机外设装置的数据传输。有效数据被封装在一个小数据包, 曼彻斯特线路便把被用于这些数据位的编码。在耳机外设装置上, EFM32内置的比较器被用于将模拟数据转换成数字数据。EFM32用于解码这些曼彻斯特编码的比特数据流并继续处理, 这些有效数据通过程序对从耳机音频输出接口采集到的音频信号进行差分曼彻斯特解码, 解码后的数据命令将指挥微控制器对环境温湿度传感器启动数据采集, 并将数据存储在微控制器R A M中, 然后依次对这些采集数据再进行差分曼彻斯特编码, 经整形电路, 并送到耳机音频输入MIC接口, 发到手机端作解码。程序由3个线程构成, 当数据传输服务程序在手机上启动后形成3个线程: (1) 创建一个音频交流信号左声道发送线程, 负责设置输出最大音量, 生成固定频率音频交流信号, 并发送到音频输出线路上; (2) 创建一个监听音频输入接口数据的线程, 负责对从音频输入接口采集到的音频信号, 进行差分曼彻斯特解码, 解码输出数据存放在接收数据缓存, 然后调用外部业务程序执行耳机外设的测量温湿度的命令, 上传采集到的数据; (3) 主线程循环等待发送数据缓存中的数据存入事件, 当外部业务程序在数据要发送时, 将要发送的数据放入共享的发送数据缓存时, 所述的主线程取到要发送的数据, 进行差分曼彻斯特编码, 再用操作系统的音频控制接口函数发送到音频输出接口MIC通路上。
针对耳机设端的嵌入式软件, 主要运行于free RTOS操作系统, 如图5为耳机外设端软件流程图, 其中底层数据传送帧格式为:Stat byte+n byte+E n d b y t e, 驱动层将主要完成曼彻斯特 (Manchester) 数据收发编码是关键, MCU将使用内部的模拟比较器+定时器捕获来作解码;而数据编码则通过MCU内部的SPI+DMA作编码。
如图6所示为智能手机应用软件流程图, 这里我们将提供运行于Android操作系统下的App应用程序节选例程, 采用java编程, 分为通过录音把耳机外设发送上来的方波数据转换为PCM数据。
5 结语
本方案设计并实现了利用耳机音频接口传输, 实现智能手机扩展监测环境温湿度数据显示, 从实际测试状况来看, 基本达到了应用需求, 可兼容满足2种不同耳机接口标准的智能手机拓展应用, 由此给智能手机拓展应用带来深远影响。
参考文献
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