专利名称：一种i2c接口的湿度数字传感器电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器电路，特别是一种I2C接口的电容式湿度数字传感器电路。具体是指将湿度传感器经测量电路调理及数字化后采用I2C总线标准进行数字输出，实现传感器信号的数字化。
背景技术：
I2C(Inter 一 Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本，能将I2C器件方便地直接接入I2C总线上组成数字网络。湿度传感器是湿度参数的测量单元，目前的湿度传感器一般是以其传感器原始物理量如电容、电阻量输出，或采用标准变送信号输出如1 5V输出(上述统称模拟输出传感器)，模拟输出的传感器在使用时必需接前置电路，接入数字系统(如计算机管理测量系统) 时则还需数字化电路；也有湿度传感器或以频率输出，或以自定义的数字输出如类似但不完全兼容的I2C 二线制数字输出(上述称数字输出传感器)，但这些数字输出传感器在使用时仍有限制，不能简单的应用于数字系统。
实用新型内容为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种实用、可靠、准确、性价比高的I2C接口的湿度数字传感器电路。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种I2C接口的湿度数字传感器电路，包括振荡单元，振荡单元对电容式湿度传感器Cx的电容量转换为频率信号f ；计数单元，计数单元对频率信号f进行计数，将二进制计数值B锁存；I2C接口单元，I2C接口单元对计数值B进行采集并实现I2C总线接口 ；振荡单元的输出端与计数单元的输入端连接，计数单元的输出端与I2C接口单元的输入端连接。进一步作为优选的实施方式，所述振荡单元包括运算放大器、电阻，电容，所述运算放大器Ull的正电源端依次通过电阻R21和电容C21组成的并联电路、电阻R22和电容 C22组成的并联电路后与地连接，所述电阻R21和电阻R22的连接点通过电容C20、电阻R2 与运算放大器Ull的反相输入端连接、连接点还通过电阻R4和电容C4组成的并联电路与运算放大器Ull的同相输入端连接，运算放大器Ull的输出端通过电阻Rl与其反相输入端连接，运算放大器Ull的输出端通过电容Cx、电阻R3与其同相输入端连接。进一步作为优选的实施方式，所述运算放大器Ull的电源输入端连接基准电压芯片U12的输出端，为单电源类型供电。进一步作为优选的实施方式，所述电阻R3为低温度系数的电阻。[0014]进一步作为优选的实施方式，所述I2C接口单元为具备I2C接口的GPIO器件U31， 其输入端与计数单元的输出端连接。进一步作为优选的实施方式，所述计数单元包括η级分频器、计数器和锁存器，所述计数器的一输入端与η级分频器的输出端连接、另一输入端与测量频率f连接，所述计数器的输出端与锁存器的输入端连接，η级分频器的输入端与基准频率fO连接。进一步作为优选的实施方式，所述计数单元包括η级分频器、计数器和锁存器，所述计数器的一输入端与η级分频器的输出端连接、另一输入端与基准频率fO连接，所述计数器的输出端与锁存器的输入端连接，η级分频器的输入端与测量频率f连接。进一步作为优选的实施方式，所述计数单元包括η级分频器U21、计数器U22、锁存器U23、有源晶体振荡器U24、与门U25，η级分频器U21的输入端与有源晶体振荡器U24的输出端连接，η级分频器U21的2"分频端与锁存器U23的时钟输入端CLK和与门U25的一输入端连接，η级分频器U21的tT1分频端和与门U25的另一输入端连接，与门U25的输出端与计数器U22的复位输入端RST连接，计数器U22的时钟输入端与运算放大器Ull的输出端连接。进一步作为优选的实施方式，所述计数单元包括η级分频器U21、计数器U22、锁存器U23、有源晶体振荡器U24、与门U25，η级分频器U21的输入端与运算放大器Ull的输出端连接，η级分频器U21的2"分频端与锁存器U23的时钟输入端CLK和与门U25的一输入端连接，η级分频器U21的tT1分频端和与门U25的另一输入端连接，与门U25的输出端与计数器U22的复位输入端RST连接，计数器U22的时钟输入端与有源晶体振荡器U24的输出端连接。本实用新型的有益效果是本实用新型使用了晶体振荡器、分频器和计数器等数字器件，使得测量误差主要来源于振荡电路的稳定性，电路的测量准确度高，且不需CPU，电路性能稳定、可靠。本实用新型采用单电源供电的文氏电桥振荡电路，直接使用I2C总线中的电源， 不需要额外的电源，使用简单、方便。采用基准电压源作为文氏电桥振荡电路中运算放大器的供电电源，保障了振荡频率的稳定性，提高了测量准确度。文氏电桥振荡电路中RC串并联选频网络中串联电阻采用了低温度系数的电阻， 保障了振荡频率的温度稳定性，提高了测量准确度。两种计数单元的实施方案，分别适用于不同的振荡频率范围，可覆盖不同类型的电容式湿度传感器的需要，应用性强。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的电路结构框图；图2是振荡单元的电路原理图；图3是计数单元的原理框图方案一；图4是计数单元的原理框图方案二 ；图5是计数单元的电路原理图方案一；[0030]图6是计数单元的电路原理图方案二 ；图7是I2C接口单元的电路原理图。
具体实施方式
一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其电路结构框图如图1所示，包括振荡器单元(1)、计数单元(2)、I2C接口单元(3)。振荡单元是将电容式湿度传感器Cx的与湿度相关的电容信号转换为相应的频率信号f，计数单元是对前述频率信号f进行计数测量得到二进制的计数值B并锁存，I2C接口单元是将前述二进制计数值B采用I2C接口的GPIO器件进行采样并实现I2C总线的数字化，实现湿度值的测量。本实用新型提供进一步细化电路，振荡单元由文氏电桥振荡电路、基准电压芯片组成，将电容式湿度传感器Cx的电容量转换为频率信号f ；振荡单元的电路原理图如图2 所示，由电阻附、1 2、1 21、1 22、1 4，低温度系数电阻1 3，电解电容C21、C22，电容C20、C4，基准电压芯片U12及电容式湿度传感器Cx组成。其中电阻R3、R4、电容C4和电容式湿度传感器Cx构成文氏电桥振荡电路的RC串并联选频网络，选频网络的RC串联电路R3、Cx的外端接运算放大器Ull的输出端，选频网络的中点接运算放大器Ull的同相输入端，选频网络的RC并联电路R4、C4的外端接由电阻R21、R22及电解电容C21、C22组成的分压电路的中点，该分压电路两端分别接运算放大器Ull的电源端和地；电阻Rl接运算放大器Ull的反相输入端和输出端；电阻R2接运算放大器Ull的反相输入端，另一端通过电容C20接分压电路的中点；为保证在不同温度下振荡器振荡频率的稳定性，电阻R3使用10ppm/°C的低温度系数电阻。运算放大器Ull为单电源类型，其电源由基准电压芯片U12提供，基于I2C总线的供电情况，基准电压芯片U12的基准电压为3. 3V或4. 096V，运算放大器Ull为单电源器件，由R21、C21及R22、C22对电源进行分压，作为振荡器的浮地；振荡器的设计振荡频率需考虑电容式湿度传感器Cx的参数，其中电容C4的电容值取可测量湿度范围的中值湿度所对应的湿度传感器Cx的电容值，以HSllOl湿度传感器为例，电容C4取180pF。计数单元有两种实现方案方案一如图3所示，是由标准频率信号发生器产生一标准频率信号fo，对标准频率信号fO进行2"分频后得到一适合的标准采样周期，在该周期内对振荡单元产生的频率信号f进行计数得到二进制的计数值B。方案二如图4所示，是对振荡单元产生的频率信号f进行2"分频后得到一适合的采样周期，在该周期内对由标准频率信号发生器产生的标准频率信号f0进行计数得到二进制的计数值B。计数单元由标准频率信号发生器、η级分频器、计数器、锁存器及逻辑控制电路组成，该单元的输出为经锁存后的二进制计数值B。标准频率信号发生器产生标准频率信号 f0 ；η级分频器用于对振荡单元产生的频率信号f或标准频率信号fO进行2"分频，以产生一合适的采样时间T=2"_7f或T=2"_7f0，用于计数采样周期的控制；计数器是在前述产生的计数采样周期内对标准频率信号f0或与传感器相关的频率信号f进行计数，并按二进制输出计数值；锁存器用于上述产生的最终计数值B的锁存，逻辑控制电路用于产生锁存控制信号和计数器清零信号。具体实现时计数单元由η级分频器U21、计数器U22，D锁存器 U23，有源晶体振荡器U24，与门U25组成。根据不同的测量准确度，计数器U22、锁存器U23可能需要多个才能满足二进制计数位数的要求。以要求湿度测量准确度为士 1%为例，考虑误差源的分布，电路测量准确度要求为士0. 2%。以HSllOl湿度传感器为例，其湿度满量程(100%RH)的电容值为205pF，有效湿度测量范围内的电容值为160 205pF，为保证电路测量准确度要求为士0. 2%，电路的电容测量准确度要求需至少为士0. 04%,即1/2500，则要求计数值至少为2500，为12位二进制计数值，因此计数器U22、锁存器U23至少为12位，如需要1个12位的二进制计数器和2 个6位的D锁存器，具体的位数还必需考虑振荡电路的频率范围和η级分频器U21的分频值。实施例一其电路原理图如图5所示，η级分频器U21的时钟端接有源晶体振荡器 U24的频率信号输出端，η级分频器U21的2"分频端接锁存器U23的时钟端并同时接与门 U25的输入端，η级分频器U21的TT1分频端接与门U25的另一输入端，与门U25的输出端接计数器U22的复位(清零)端；计数器U22的时钟端接运算放大器Ull的输出端，计数器 U22的各输出端对应接锁存器U23的各输入端。其技术方案为用η级分频器U21对有源晶体振荡器UM产生的标准频率信号f0 进行2"分频，并同时产生一的分频信号，2"分频信号接D锁存器U23的时钟端用于计数值的锁存，2"4分频信号和2"分频信号作为与门U25的输入端产生一逻辑信号接计数器U22 的复位(清零)端用于计数器的复位；振荡单元产生的频率信号f接计数器U22的时钟端用于计数；计数器U22的计数值接D锁存器U23的输入端；D锁存器U23的输出端即为经锁存后的二进制计数值B。接上例，以最低设计振荡频率为50kHz的振荡单元为例，有源晶体振荡器UM的频率取32. 768kHz，为实现对50kHz振荡频率f的至少2500个计数值，则2"分频后采样时间不能短于50ms，则分频次数η至少为12，使Τ=2^/ =2〃_732. 768kHz=62. 5ms。该方案，振荡频率f越高，则分频次数η越小，η级分频器U21选择越容易；振荡频率f越低，则分频次数η越大，η级分频器U21选择越困难。实施例二其电路原理图如图6所示，η级分频器U21的时钟端接运算放大器Ull的输出端，η级分频器U21的2"分频端接锁存器U23的时钟端并同时接与门U25的输入端，η 级分频器U21的tT1分频端接与门U25的另一输入端，与门U25的输出端接计数器U22的复位(清零)端；计数器U22的时钟端接有源晶体振荡器UM的频率信号输出端，计数器U22 的各输出端对应接锁存器U23的各输入端。其技术方案为用η级分频器U21对振荡单元产生的频率信号f进行2"分频，并同时产生一 2"4的分频信号，2"分频信号接D锁存器U23的时钟端用于计数值的锁存，2"4 分频信号和2"分频信号作为与门U25的输入端产生一逻辑信号接计数器U22的复位(清零) 端用于计数器的复位；有源晶体振荡器产生的标准频率信号f0接计数器U22的时钟端用于计数；计数器U22的计数值接D锁存器U23的输入端；D锁存器U23的输出端即为经锁存后的二进制计数值B。接上例，以最高设计振荡频率为5kHz的振荡单元为例，有源晶体振荡器U24的频率取1MHz，为实现对IMHz标准频率信号fO的至少2500个计数值，则2"分频后采样时间不能短于2. 5ms,则分频次数η至少为5，使T=2"_7f=2"_75kHz=3. 2ms0该方案，振荡频率f越高，则分频次数η越高，η级分频器U21选择越困难；振荡频率f越低，则分频次数η越小， η级分频器U21选择越容易。I2C接口单元其电路原理图如图7所示，由I2C接口的I/O扩展器组成，实现对计数单元产生的二进制计数值B通过I2C接口转换为数字信号。I2C接口单元由I2C接口的 GPIO器件U31组成，其位数与锁存器U23的位数一致，因此可能需要多个，其各输入端接计数单元中D锁存器U23的各输出端，通过U31的I2C总线端口实现I2C总线的数字化。电路的供电电源仅需使用I2C总线中提供的电源。以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
权利要求1.一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于包括振荡单元(1)，振荡单元对电容式湿度传感器Cx的电容量转换为频率信号f ；计数单元(2)，计数单元对频率信号f进行计数，将二进制计数值B锁存；I2C接口单元(3)，I2C接口单元对计数值B进行采集并实现I2C总线接口 ；振荡单元(1)的输出端与计数单元(2)的输入端连接，计数单元(2)的输出端与I2C接口单元(3)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述振荡单元(1)包括运算放大器(肌1)、电阻(1 1-1 4，1 21，1 22)，电容(Cx、C4，C20、C21，C22)，所述运算放大器Ull的正电源端依次通过电阻R21和电容C21组成的并联电路、电阻R22和电容C22组成的并联电路后与地连接，所述电阻R21和电阻R22的连接点通过电容C20、电阻R2与运算放大器Ull的反相输入端连接、连接点还通过电阻R4和电容C4组成的并联电路与运算放大器Ull的同相输入端连接，运算放大器Ull的输出端通过电阻Rl与其反相输入端连接，运算放大器Ull的输出端通过电容Cx、电阻R3与其同相输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述运算放大器Ull的电源输入端连接基准电压芯片U12的输出端，为单电源类型供电。
4.根据权利要求2所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述电阻R3为低温度系数的电阻。
5.根据权利要求1所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述I2C 接口单元(3)为具备I2C接口的GPIO器件U31，其输入端与计数单元(2)的输出端连接。
6.根据权利要求2所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述计数单元(2)包括η级分频器、计数器和锁存器，所述计数器的一输入端与η级分频器的输出端连接、另一输入端与测量频率f连接，所述计数器的输出端与锁存器的输入端连接，η级分频器的输入端与基准频率f0连接。
7.根据权利要求2所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述计数单元(2)包括η级分频器、计数器和锁存器，所述计数器的一输入端与η级分频器的输出端连接、另一输入端与基准频率f0连接，所述计数器的输出端与锁存器的输入端连接，η级分频器的输入端与测量频率f连接。
8.根据权利要求6所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述计数单元(2)包括η级分频器U21、计数器U22、锁存器U23、有源晶体振荡器U24、与门U25，η 级分频器U21的输入端与有源晶体振荡器U24的输出端连接，η级分频器U21的2"分频端与锁存器U23的时钟输入端CLK和与门U25的一输入端连接，η级分频器U21的tT1分频端和与门U25的另一输入端连接，与门U25的输出端与计数器U22的复位输入端RST连接，计数器U22的时钟输入端与运算放大器Ull的输出端连接。
9.根据权利要求7所述的一种I2C接口的湿度数字传感器电路，其特征在于所述计数单元(2)包括η级分频器U21、计数器U22、锁存器U23、有源晶体振荡器U24、与门U25，η 级分频器U21的输入端与运算放大器Ull的输出端连接，η级分频器U21的2"分频端与锁存器U23的时钟输入端CLK和与门U25的一输入端连接，η级分频器U21的tT1分频端和与门U25的另一输入端连接，与门U25的输出端与计数器U22的复位输入端RST连接，计数器 U22的时钟输入端与有源晶体振荡器U24的输出端连接。
专利摘要本实用新型公开了一种I2C接口的湿度数字传感器电路，包括振荡单元，振荡单元对电容式湿度传感器Cx的电容量转换为频率信号f；计数单元，计数单元对频率信号f进行计数，将二进制计数值B锁存；I2C接口单元，I2C接口单元对计数值B进行采集并实现I2C总线接口；振荡单元的输出端与计数单元的输入端连接，计数单元的输出端与I2C接口单元的输入端连接。本实用新型使用了晶体振荡器、分频器和计数器等数字器件，使得测量误差主要来源于振荡电路的稳定性，电路的测量准确度高，且不需CPU，电路性能稳定、可靠。本实用新型作为一种I2C接口的湿度数字传感器电路广泛应用于工控领域中。
文档编号G08C19/00GK202041493SQ201120107709
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者刘扬东, 谭山, 黄锋 申请人:中华人民共和国广州机场出入境检验检疫局, 广州市计量检测技术研究院