一種i2c接口的溼度數字傳感器電路的製作方法
2023-06-25 19:35:46
專利名稱：一種i2c接口的溼度數字傳感器電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傳感器電路，特別是一種I2C接口的電容式溼度數字傳感器電路。具體是指將溼度傳感器經測量電路調理及數位化後採用I2C總線標準進行數字輸出，實現傳感器信號的數位化。
背景技術：
I2C(Inter 一 Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用於連接微控制器及其外圍設備。I2C總線最主要的優點是其簡單性和有效性。由於接口直接在組件之上，因此I2C總線佔用的空間非常小，減少了電路板的空間和晶片管腳的數量，降低了互聯成本，能將I2C器件方便地直接接入I2C總線上組成數字網絡。溼度傳感器是溼度參數的測量單元，目前的溼度傳感器一般是以其傳感器原始物理量如電容、電阻量輸出，或採用標準變送信號輸出如1 5V輸出(上述統稱模擬輸出傳感器)，模擬輸出的傳感器在使用時必需接前置電路，接入數字系統(如計算機管理測量系統) 時則還需數位化電路；也有溼度傳感器或以頻率輸出，或以自定義的數字輸出如類似但不完全兼容的I2C 二線制數字輸出(上述稱數字輸出傳感器)，但這些數字輸出傳感器在使用時仍有限制，不能簡單的應用於數字系統。
實用新型內容為了解決上述的技術問題，本實用新型的目的是提供一種實用、可靠、準確、性價比高的I2C接口的溼度數字傳感器電路。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，包括振蕩單元，振蕩單元對電容式溼度傳感器Cx的電容量轉換為頻率信號f ；計數單元，計數單元對頻率信號f進行計數，將二進位計數值B鎖存；I2C接口單元，I2C接口單元對計數值B進行採集並實現I2C總線接口 ；振蕩單元的輸出端與計數單元的輸入端連接，計數單元的輸出端與I2C接口單元的輸入端連接。進一步作為優選的實施方式，所述振蕩單元包括運算放大器、電阻，電容，所述運算放大器Ull的正電源端依次通過電阻R21和電容C21組成的並聯電路、電阻R22和電容 C22組成的並聯電路後與地連接，所述電阻R21和電阻R22的連接點通過電容C20、電阻R2 與運算放大器Ull的反相輸入端連接、連接點還通過電阻R4和電容C4組成的並聯電路與運算放大器Ull的同相輸入端連接，運算放大器Ull的輸出端通過電阻Rl與其反相輸入端連接，運算放大器Ull的輸出端通過電容Cx、電阻R3與其同相輸入端連接。進一步作為優選的實施方式，所述運算放大器Ull的電源輸入端連接基準電壓晶片U12的輸出端，為單電源類型供電。進一步作為優選的實施方式，所述電阻R3為低溫度係數的電阻。[0014]進一步作為優選的實施方式，所述I2C接口單元為具備I2C接口的GPIO器件U31， 其輸入端與計數單元的輸出端連接。進一步作為優選的實施方式，所述計數單元包括η級分頻器、計數器和鎖存器，所述計數器的一輸入端與η級分頻器的輸出端連接、另一輸入端與測量頻率f連接，所述計數器的輸出端與鎖存器的輸入端連接，η級分頻器的輸入端與基準頻率fO連接。進一步作為優選的實施方式，所述計數單元包括η級分頻器、計數器和鎖存器，所述計數器的一輸入端與η級分頻器的輸出端連接、另一輸入端與基準頻率fO連接，所述計數器的輸出端與鎖存器的輸入端連接，η級分頻器的輸入端與測量頻率f連接。進一步作為優選的實施方式，所述計數單元包括η級分頻器U21、計數器U22、鎖存器U23、有源晶體振蕩器U24、與門U25，η級分頻器U21的輸入端與有源晶體振蕩器U24的輸出端連接，η級分頻器U21的2"分頻端與鎖存器U23的時鐘輸入端CLK和與門U25的一輸入端連接，η級分頻器U21的tT1分頻端和與門U25的另一輸入端連接，與門U25的輸出端與計數器U22的復位輸入端RST連接，計數器U22的時鐘輸入端與運算放大器Ull的輸出端連接。進一步作為優選的實施方式，所述計數單元包括η級分頻器U21、計數器U22、鎖存器U23、有源晶體振蕩器U24、與門U25，η級分頻器U21的輸入端與運算放大器Ull的輸出端連接，η級分頻器U21的2"分頻端與鎖存器U23的時鐘輸入端CLK和與門U25的一輸入端連接，η級分頻器U21的tT1分頻端和與門U25的另一輸入端連接，與門U25的輸出端與計數器U22的復位輸入端RST連接，計數器U22的時鐘輸入端與有源晶體振蕩器U24的輸出端連接。本實用新型的有益效果是本實用新型使用了晶體振蕩器、分頻器和計數器等數字器件，使得測量誤差主要來源于振蕩電路的穩定性，電路的測量準確度高，且不需CPU，電路性能穩定、可靠。本實用新型採用單電源供電的文氏電橋振蕩電路，直接使用I2C總線中的電源， 不需要額外的電源，使用簡單、方便。採用基準電壓源作為文氏電橋振蕩電路中運算放大器的供電電源，保障了振蕩頻率的穩定性，提高了測量準確度。文氏電橋振蕩電路中RC串並聯選頻網絡中串聯電阻採用了低溫度係數的電阻， 保障了振蕩頻率的溫度穩定性，提高了測量準確度。兩種計數單元的實施方案，分別適用於不同的振蕩頻率範圍，可覆蓋不同類型的電容式溼度傳感器的需要，應用性強。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型的電路結構框圖；圖2是振蕩單元的電路原理圖；圖3是計數單元的原理框圖方案一；圖4是計數單元的原理框圖方案二 ；圖5是計數單元的電路原理圖方案一；[0030]圖6是計數單元的電路原理圖方案二 ；圖7是I2C接口單元的電路原理圖。
具體實施方式
一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其電路結構框圖如圖1所示，包括振蕩器單元(1)、計數單元(2)、I2C接口單元(3)。振蕩單元是將電容式溼度傳感器Cx的與溼度相關的電容信號轉換為相應的頻率信號f，計數單元是對前述頻率信號f進行計數測量得到二進位的計數值B並鎖存，I2C接口單元是將前述二進位計數值B採用I2C接口的GPIO器件進行採樣並實現I2C總線的數位化，實現溼度值的測量。本實用新型提供進一步細化電路，振蕩單元由文氏電橋振蕩電路、基準電壓晶片組成，將電容式溼度傳感器Cx的電容量轉換為頻率信號f ；振蕩單元的電路原理圖如圖2 所示，由電阻附、1 2、1 21、1 22、1 4，低溫度係數電阻1 3，電解電容C21、C22，電容C20、C4，基準電壓晶片U12及電容式溼度傳感器Cx組成。其中電阻R3、R4、電容C4和電容式溼度傳感器Cx構成文氏電橋振蕩電路的RC串並聯選頻網絡，選頻網絡的RC串聯電路R3、Cx的外端接運算放大器Ull的輸出端，選頻網絡的中點接運算放大器Ull的同相輸入端，選頻網絡的RC並聯電路R4、C4的外端接由電阻R21、R22及電解電容C21、C22組成的分壓電路的中點，該分壓電路兩端分別接運算放大器Ull的電源端和地；電阻Rl接運算放大器Ull的反相輸入端和輸出端；電阻R2接運算放大器Ull的反相輸入端，另一端通過電容C20接分壓電路的中點；為保證在不同溫度下振蕩器振蕩頻率的穩定性，電阻R3使用10ppm/°C的低溫度係數電阻。運算放大器Ull為單電源類型，其電源由基準電壓晶片U12提供，基於I2C總線的供電情況，基準電壓晶片U12的基準電壓為3. 3V或4. 096V，運算放大器Ull為單電源器件，由R21、C21及R22、C22對電源進行分壓，作為振蕩器的浮地；振蕩器的設計振蕩頻率需考慮電容式溼度傳感器Cx的參數，其中電容C4的電容值取可測量溼度範圍的中值溼度所對應的溼度傳感器Cx的電容值，以HSllOl溼度傳感器為例，電容C4取180pF。計數單元有兩種實現方案方案一如圖3所示，是由標準頻率信號發生器產生一標準頻率信號fo，對標準頻率信號fO進行2"分頻後得到一適合的標準採樣周期，在該周期內對振蕩單元產生的頻率信號f進行計數得到二進位的計數值B。方案二如圖4所示，是對振蕩單元產生的頻率信號f進行2"分頻後得到一適合的採樣周期，在該周期內對由標準頻率信號發生器產生的標準頻率信號f0進行計數得到二進位的計數值B。計數單元由標準頻率信號發生器、η級分頻器、計數器、鎖存器及邏輯控制電路組成，該單元的輸出為經鎖存後的二進位計數值B。標準頻率信號發生器產生標準頻率信號 f0 ；η級分頻器用於對振蕩單元產生的頻率信號f或標準頻率信號fO進行2"分頻，以產生一合適的採樣時間T=2"_7f或T=2"_7f0，用於計數採樣周期的控制；計數器是在前述產生的計數採樣周期內對標準頻率信號f0或與傳感器相關的頻率信號f進行計數，並按二進位輸出計數值；鎖存器用於上述產生的最終計數值B的鎖存，邏輯控制電路用於產生鎖存控制信號和計數器清零信號。具體實現時計數單元由η級分頻器U21、計數器U22，D鎖存器 U23，有源晶體振蕩器U24，與門U25組成。根據不同的測量準確度，計數器U22、鎖存器U23可能需要多個才能滿足二進位計數位數的要求。以要求溼度測量準確度為士 1%為例，考慮誤差源的分布，電路測量準確度要求為士0. 2%。以HSllOl溼度傳感器為例，其溼度滿量程(100%RH)的電容值為205pF，有效溼度測量範圍內的電容值為160 205pF，為保證電路測量準確度要求為士0. 2%，電路的電容測量準確度要求需至少為士0. 04%,即1/2500，則要求計數值至少為2500，為12位二進位計數值，因此計數器U22、鎖存器U23至少為12位，如需要1個12位的二進位計數器和2 個6位的D鎖存器，具體的位數還必需考慮振蕩電路的頻率範圍和η級分頻器U21的分頻值。實施例一其電路原理圖如圖5所示，η級分頻器U21的時鐘端接有源晶體振蕩器 U24的頻率信號輸出端，η級分頻器U21的2"分頻端接鎖存器U23的時鐘端並同時接與門 U25的輸入端，η級分頻器U21的TT1分頻端接與門U25的另一輸入端，與門U25的輸出端接計數器U22的復位(清零)端；計數器U22的時鐘端接運算放大器Ull的輸出端，計數器 U22的各輸出端對應接鎖存器U23的各輸入端。其技術方案為用η級分頻器U21對有源晶體振蕩器UM產生的標準頻率信號f0 進行2"分頻，並同時產生一的分頻信號，2"分頻信號接D鎖存器U23的時鐘端用於計數值的鎖存，2"4分頻信號和2"分頻信號作為與門U25的輸入端產生一邏輯信號接計數器U22 的復位(清零)端用於計數器的復位；振蕩單元產生的頻率信號f接計數器U22的時鐘端用於計數；計數器U22的計數值接D鎖存器U23的輸入端；D鎖存器U23的輸出端即為經鎖存後的二進位計數值B。接上例，以最低設計振蕩頻率為50kHz的振蕩單元為例，有源晶體振蕩器UM的頻率取32. 768kHz，為實現對50kHz振蕩頻率f的至少2500個計數值，則2"分頻後採樣時間不能短於50ms，則分頻次數η至少為12，使Τ=2^/ =2〃_732. 768kHz=62. 5ms。該方案，振蕩頻率f越高，則分頻次數η越小，η級分頻器U21選擇越容易；振蕩頻率f越低，則分頻次數η越大，η級分頻器U21選擇越困難。實施例二其電路原理圖如圖6所示，η級分頻器U21的時鐘端接運算放大器Ull的輸出端，η級分頻器U21的2"分頻端接鎖存器U23的時鐘端並同時接與門U25的輸入端，η 級分頻器U21的tT1分頻端接與門U25的另一輸入端，與門U25的輸出端接計數器U22的復位(清零)端；計數器U22的時鐘端接有源晶體振蕩器UM的頻率信號輸出端，計數器U22 的各輸出端對應接鎖存器U23的各輸入端。其技術方案為用η級分頻器U21對振蕩單元產生的頻率信號f進行2"分頻，並同時產生一 2"4的分頻信號，2"分頻信號接D鎖存器U23的時鐘端用於計數值的鎖存，2"4 分頻信號和2"分頻信號作為與門U25的輸入端產生一邏輯信號接計數器U22的復位(清零) 端用於計數器的復位；有源晶體振蕩器產生的標準頻率信號f0接計數器U22的時鐘端用於計數；計數器U22的計數值接D鎖存器U23的輸入端；D鎖存器U23的輸出端即為經鎖存後的二進位計數值B。接上例，以最高設計振蕩頻率為5kHz的振蕩單元為例，有源晶體振蕩器U24的頻率取1MHz，為實現對IMHz標準頻率信號fO的至少2500個計數值，則2"分頻後採樣時間不能短於2. 5ms,則分頻次數η至少為5，使T=2"_7f=2"_75kHz=3. 2ms0該方案，振蕩頻率f越高，則分頻次數η越高，η級分頻器U21選擇越困難；振蕩頻率f越低，則分頻次數η越小， η級分頻器U21選擇越容易。I2C接口單元其電路原理圖如圖7所示，由I2C接口的I/O擴展器組成，實現對計數單元產生的二進位計數值B通過I2C接口轉換為數位訊號。I2C接口單元由I2C接口的 GPIO器件U31組成，其位數與鎖存器U23的位數一致，因此可能需要多個，其各輸入端接計數單元中D鎖存器U23的各輸出端，通過U31的I2C總線埠實現I2C總線的數位化。電路的供電電源僅需使用I2C總線中提供的電源。以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可作出種種的等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。
權利要求1.一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於包括振蕩單元(1)，振蕩單元對電容式溼度傳感器Cx的電容量轉換為頻率信號f ；計數單元(2)，計數單元對頻率信號f進行計數，將二進位計數值B鎖存；I2C接口單元(3)，I2C接口單元對計數值B進行採集並實現I2C總線接口 ；振蕩單元(1)的輸出端與計數單元(2)的輸入端連接，計數單元(2)的輸出端與I2C接口單元(3)的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述振蕩單元(1)包括運算放大器(肌1)、電阻(1 1-1 4，1 21，1 22)，電容(Cx、C4，C20、C21，C22)，所述運算放大器Ull的正電源端依次通過電阻R21和電容C21組成的並聯電路、電阻R22和電容C22組成的並聯電路後與地連接，所述電阻R21和電阻R22的連接點通過電容C20、電阻R2與運算放大器Ull的反相輸入端連接、連接點還通過電阻R4和電容C4組成的並聯電路與運算放大器Ull的同相輸入端連接，運算放大器Ull的輸出端通過電阻Rl與其反相輸入端連接，運算放大器Ull的輸出端通過電容Cx、電阻R3與其同相輸入端連接。
3.根據權利要求2所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述運算放大器Ull的電源輸入端連接基準電壓晶片U12的輸出端，為單電源類型供電。
4.根據權利要求2所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述電阻R3為低溫度係數的電阻。
5.根據權利要求1所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述I2C 接口單元(3)為具備I2C接口的GPIO器件U31，其輸入端與計數單元(2)的輸出端連接。
6.根據權利要求2所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述計數單元(2)包括η級分頻器、計數器和鎖存器，所述計數器的一輸入端與η級分頻器的輸出端連接、另一輸入端與測量頻率f連接，所述計數器的輸出端與鎖存器的輸入端連接，η級分頻器的輸入端與基準頻率f0連接。
7.根據權利要求2所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述計數單元(2)包括η級分頻器、計數器和鎖存器，所述計數器的一輸入端與η級分頻器的輸出端連接、另一輸入端與基準頻率f0連接，所述計數器的輸出端與鎖存器的輸入端連接，η級分頻器的輸入端與測量頻率f連接。
8.根據權利要求6所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述計數單元(2)包括η級分頻器U21、計數器U22、鎖存器U23、有源晶體振蕩器U24、與門U25，η 級分頻器U21的輸入端與有源晶體振蕩器U24的輸出端連接，η級分頻器U21的2"分頻端與鎖存器U23的時鐘輸入端CLK和與門U25的一輸入端連接，η級分頻器U21的tT1分頻端和與門U25的另一輸入端連接，與門U25的輸出端與計數器U22的復位輸入端RST連接，計數器U22的時鐘輸入端與運算放大器Ull的輸出端連接。
9.根據權利要求7所述的一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，其特徵在於所述計數單元(2)包括η級分頻器U21、計數器U22、鎖存器U23、有源晶體振蕩器U24、與門U25，η 級分頻器U21的輸入端與運算放大器Ull的輸出端連接，η級分頻器U21的2"分頻端與鎖存器U23的時鐘輸入端CLK和與門U25的一輸入端連接，η級分頻器U21的tT1分頻端和與門U25的另一輸入端連接，與門U25的輸出端與計數器U22的復位輸入端RST連接，計數器 U22的時鐘輸入端與有源晶體振蕩器U24的輸出端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種I2C接口的溼度數字傳感器電路，包括振蕩單元，振蕩單元對電容式溼度傳感器Cx的電容量轉換為頻率信號f；計數單元，計數單元對頻率信號f進行計數，將二進位計數值B鎖存；I2C接口單元，I2C接口單元對計數值B進行採集並實現I2C總線接口；振蕩單元的輸出端與計數單元的輸入端連接，計數單元的輸出端與I2C接口單元的輸入端連接。本實用新型使用了晶體振蕩器、分頻器和計數器等數字器件，使得測量誤差主要來源于振蕩電路的穩定性，電路的測量準確度高，且不需CPU，電路性能穩定、可靠。本實用新型作為一種I2C接口的溼度數字傳感器電路廣泛應用於工控領域中。
文檔編號G08C19/00GK202041493SQ201120107709
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月13日 優先權日2011年4月13日
發明者劉揚東, 譚山, 黃鋒 申請人:中華人民共和國廣州機場出入境檢驗檢疫局, 廣州市計量檢測技術研究院