[论文解读] Design and Development of Low Cost PC Based Real Time Temperature and Humidity Monitoring System

Nungleppam Monoranjan Singh, Kanak Chandra Sarma|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2012

Embedded Systems and FPGA Design参考文献 8被引用 10

一句话总结

本论文提出了一种基于PC的低成本实时温湿度监测系统，采用PIC12F675微控制器、LM35和TPS-00715传感器以及串行/USB通信。系统实现10位分辨率（4.88mV精度），湿度通过五阶多项式校准测量，与商用湿度计相比偏差小于±2%，适用于实验室和工业环境，成本极低。

ABSTRACT

This paper presents the design and development of a low cost Data Acquisition System (DAS) using PIC12F675 microcontroller for real time temperature and humidity monitoring. The designed DAS has 4 analog input channels having 10-bit resolution and was interfaced through the serial port of the PC. A precision integrated temperature sensor and an instrumentation-quality RH (Relative Humidity) sensor were used for sensing the temperature and humidity respectively. The firmware was written in Basic and compiled using Oshonsoft PIC IDE and downloaded to the microcontroller by using PICkit2 programmer. An application program was also developed using Visual Basic 6, which allows displaying the waveform of the signal(s) in real time and the data can be saved into the hard disk of the computer for future use and analysis. It can also be interfaced to the USB port of the PC or laptop using USB to serial adapter BAFO BF-810. Thus, the designed low cost device works with the legacy hardware as well as the modern USB interface.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、实时的数据采集系统，用于在实验室和工业环境中连续监测温度和相对湿度。
• 克服人工测量和昂贵商用数据采集（DAQ）卡的局限性，尤其适用于资源有限的机构。
• 设计一种兼容传统RS-232端口和现代USB接口的系统，通过USB转串行适配器实现。
• 通过信号调理、固件驱动的ADC采样以及非线性传感器输出的多项式校准，实现高精度和高可靠性。
• 实现实时数据可视化、数据记录以及以.csv格式长期存储，便于未来分析。

提出的方法

• 使用带有四个10位ADC输入通道和内部4MHz振荡器的PIC12F675微控制器构建了数据采集系统（DAS）。
• 分别使用LM35（0–50 °C，10mV/°C）和TPS-00715（1–3V输出，对应10–90% RH）传感器测量温度和湿度。
• 采用OP07运算放大器和齐纳二极管的信号调理电路，保护输入端口并将其输出缩放至0–5V，以适配微控制器。
• 使用Oshonsoft PIC IDE的Basic语言编写固件，并通过PICkit2编程器烧录至PIC12F675，实现周期性ADC采样和串行数据传输。
• 使用Visual Basic 6应用程序通过MSComm组件轮询串行端口，接收数据，实时显示波形，并将数据保存为.csv格式。
• 实现五阶多项式方程（y = 15.538x⁵ – 161.37x⁴ + 655.54x³ – 1289.1x² + 1259.3x – 472.15），将电压读数转换为百分比相对湿度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于市售元器件的低成本PC端系统能否实现实时、高精度的温湿度监测？
• RQ2 该自定义DAS在相对湿度测量精度方面与商用数字湿度计相比表现如何？
• RQ3 基于微控制器的10位分辨率和串行通信系统在多大程度上能满足实验室和工业监测需求？
• RQ4 能否通过标准适配器实现该系统与传统RS-232和现代USB接口的兼容？
• RQ5 对非线性湿度传感器输出进行多项式校准，可实现多高的精度？

主要发现

• 系统实现了4.88mV的电压分辨率（10位ADC在0–5V范围内），支持精确的数据采集。
• 自定义系统（RH4）与商用湿度计（RH1、RH2）之间的湿度测量误差小于±2%，显著优于典型的5%阈值。
• TPS-00715传感器的校准曲线与实验数据高度一致，经五阶多项式拟合验证。
• 系统成功重建了12小时内温度和湿度的实时波形，数据以.csv格式存储，便于后续分析。
• 系统通过BAFO BF-810 USB转串行适配器成功兼容RS-232和USB接口，确保向后和向前兼容。
• 整个系统开发成本极低，适用于预算有限的教育和科研实验室部署。