基于瑞萨单片机 R7F0C802 的温湿度传感器设计

1 引言

本文介绍的温湿度传感器采用瑞萨电子生产的 R7F0C802 单片机作为控制单元，采集温度传感器 TC1047A 输出的电压信号和湿度传感器 HS11 01 LF 电路输出的频率信号，经计算处理，由异步串行通信接口输出可读性强的温度和湿度值。该温湿度传感器工作电源电压为 4.5 V~5.5VDC， 低功耗电流(MCU)为 290 µA@5MHz(TYP.)， 响应时间小于 1 秒。 温度测量范围为-40~85℃， 测量精度达± 1 ℃。 湿度测量范围为 1~99%RH， 测量精度可达 0.1%RH。

2 系统组成

该温湿度传感器的系统构成框图如图 1 所示，实体电路板图如图 2 所示。系统上电后， 状态指示灯点亮， 进入工作模式。 为了降低功耗， 系统正常工作状态运行在低功耗( HALT) 模式。控制器通过 UART 发送采集温度和湿度的指令给系统，MCU 退出 HALT 模式， 进入通常运行( Normal)模式， 状态指示灯熄灭。 MCU 采集温度和湿度数据， 并进行计算处理后发送采集到的温度和湿度数据给控制器， 同时状态指示灯点亮， 表明数据发送正常。 数据发送完毕， 系统再次进入低功耗( HALT) 模式。

2.1 MCU

R7F0C801 至 805 系列微控制器是瑞萨面向中国客户开发的少管脚 LSSOP 的 8位通用微处理器。该系列微控制器采用了 RL78 内核，在该类产品上同时实现了高速处理性能与低功耗，并且拥有一系列少管脚数的强大产品阵容，适用于消费产品应用。高精度± 2%的片上振荡器最大频率可达到 20 MHz，同时内置了可选上电复位和看门狗定时器等功能，有助于系统实现更紧凑的尺寸和低功耗，使整个系统搭建成本更低。10 和 16 引脚的小型封装，以及 1 KB 至 4 KB 的闪存阵容，使其更适合于小型家用电器以及通用消费产品等应用 。R7F0C802 的 ROM 为 2 KB， RAM 为 256 字节， 其 10 引脚配置图请参见图 3，结构框图如图 4 所示。 R7F0C802 广泛应用于玩具、传感器、电动工具、防盗报警器以及装饰性应用中。

2.2 温度测量电路

本系统中温度传感器采用 Microchip 公司生产的线性电压输出温度传感器TC1047A，其输出电压与测得的温度成线性比例。 TC1047A 可精确地测量从-40℃到+125℃之间的温度，其典型输出电压为 100mV(-40℃时)、 500mV (0℃时)、 750mV(+25℃时)和 1.75V(+125℃时)。 10mV/℃的输出电压的斜率响应允许传感器在宽温度范围内对温度进行测量。 TC1047A 输出电压与温度关系的特性曲线，请参见图 5。 电压-温度对应计算公式为： Vout =10mV/℃× (Temperature℃)+500mV。通过 A/D 转换，便可以计算出当前温度。本系统中使用 MCU 内部集成的 10 位 A/D，采集 TC1047A 输出的电压信号。实际使用中每个温度传感器的特性曲线与理论值略有不同，可自行标定，以确定实际的曲线斜率和截距。

2.3 湿度测量电路

湿度测量电路原理图，请参见图 6。本系统中湿度传感器采用法国 Humirel 公司生产的相对湿度传感器 HS1101LF。HS1101LF 湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。 它在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将 HS1101LF 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被单片机所采集。

电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成频率的变化，即可进行有效的数据采集。由于 HS1101LF 采用电容构成材料，不允许直流方式供电，所以使用 555 定时器电路组成多稳态电路，具体电路分析如下：

uPC1 555 是瑞萨电子生产的一款能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达 200mA，工作电压范围为： 4.5~16V。当电源接通时，由于定时器 THRES和 TRIG 脚的输入为“0”，则 OUT 脚输出为“1 ”;又由于 C3 两端电压为 0，故 VDD通过 R2 和 R8 对 C3 充电，当 C3 两端电压达到 2VDD/3 时，定时电路翻转，输出变为“0” ， 此时电容 C3 通过 R8 进行放电，当 C3 两端电压降低到 VDD/3 时，定时器又翻转，使输出变为“1 ”， VDD 又开始通过 R2 和 R8 对 C3 充电，如此周而复始，形成振荡。

其工作循环中的充电时间为： TH=ln2× (R2+R8)× C3

放电时间为： TL = ln2× R8× C3

输出脉冲频率为： f=1/(TH+TL)=1/(C3× (R2+2× R8)× ln2)

占空比为： D=(R2+R8)/(R2+2× R8)

为了使输出脉冲占空比接近 50%， R2 应远远小于 R8。当外界湿度变化时，HS1101LF 两端电容值发生改变，从而改变定时电路