智能传感器HIH9131在电厂烟气湿度测量中的应用

杭建东

摘要：本文介绍了一种智能湿度传感器HIH9131在电厂烟气湿度测量的应用方法，不仅提高7该领域的测量精度和稳定性，还为电厂实现烟气的超低排放提供了帮助。

关键词：智能传感器湿度SPI接口

近年来，我国大多数城市的大气环境质量超过国家规定的标准。2014年9月，发改委、环保部和能源局发布了发改委能源（2014）2093号文，提出了燃煤电厂实现 “超低排放”的要求和时间表。由于工业排放的烟气并不是理想的干烟气，总是含有一定的水分。烟气中的水分来源包括以下几部分：一是燃料以结合水或外在水的形式带来的水分，在燃料燃烧过程中蒸发形成的水蒸气;二是燃烧时鼓入锅炉内的空气携带的水分;三是燃料中所含有的碳氢化合物在燃烧时被氧化生成的水;四是在脱硫（FGD）时的水汽与烟气混合。而烟气含湿量是烟气参数中最难测量的一个参数，烟气的含湿量对于烟气的脱硫、除尘等工艺都有比较大的影响，所以它成为烟气污染源监测中的一个必测因子，其测量的准确度直接关系到污染物排放总量、浓度计算及烟气净化系统效率的评估。但在目前电厂湿度测量中，普遍的测量精度是±3%，而且还有稳定性不高、测量探头更换频率高等问题，因此选择一种高精度、高可靠性、耐腐蚀的湿度传感器至关重要。

1 Honeywel¨l智能温湿度HIH9131传感器

随着近几年智能传感器的大力发展，目前市场上推出了内部带有微处理器的智能湿度传感器。与传统的传感器相比，它可以通过软件技术实现高精度的信息采集，而且成本低;具有一定的编程自动化能力;具有通信与板载诊断功能。在智能传感器领域，HoneyWell公司一直是走在世界的前列。经过比较，我们选择了Honeywell公司HIH9131，作为本应用的温湿度传感器。

1.1传感器HIH9131的特点

Honeywell数字式温湿度HIH9131传感器，具有如下特点：

（1）业界领先的长期稳定性。传感器在使用寿命期间不需要保养或更换，从而优化了系统的正常运行时间。传感器在使用中不需要定期进行复杂而又昂贵的二次校准。

（2）业界领先的可靠性。热固聚合物电容式感应元件的多层结构，使得传感器对冷凝、灰尘、污垢、油类和一般环境化学品等，具有出色的抵抗力。

（3）将相对湿度传感器和温度传感器组合在同一个封装内。这种组合式温湿度传感器，不但可以对相对湿度测量值进行温度补偿，而且还可以提供第二路独立的温度传感器输出。

（4）真实的带温度补偿的数字I2C或SPI输出。这种集成的功能，可避免因在PCB板上安装多个信号处理器件可能出现的问题，简化与微处理器之间的集成，并使客户无需进行复杂的信号处理。

（5）高精度测量：湿度精度±1.7%RH，温度精度+0.3℃

（6）低工作电源。可在2.3VDC低电压下工作，提高了电源的抗干扰能力。

（7）低功耗。应用过程不进行测量时，传感器便进入休眠模式。在工作状态下耗电650uA，而休眠模式下仅为luA。有助于电池供电和减轻设备重量。

（8）高分辨率。应用中的湿度和温度传感器分辨率高达14位，可帮助用户系统探测出最微小的温度或相对湿度变化。

1.2传感器HIH9131的温湿度测量

考虑到小体积更适合于本项目，我们选用了soc封装的HIH9131作为本项目的温湿度传感器。由于该智能传感器内部含有微处理器，它不但可以利用采样到的温度值对实时湿度值进行内部自动补偿，从而提高湿度的测量精度，而且还可以将最终的温湿度值以SPI总线的方式向外串行发送数据。这样既可实现远距离传输数据，还可以提高串行通讯的可靠性。

HIH9131有八个管脚，它分别代表的含义是：

Vcore

通过O.luF电容接地

Vss

电源地

ss

从器件选择

SCLK

串行时钟

MISO

主器件输入，从器件输出

AL_L

低湿度报警输出

NC

空脚

Vdd

电源正

ss、SCLK、MISO为传感器的SPI总线。ss起片选作用，SCLK产生时钟脉冲，MISO相当于数据线。其与外界CPU产生串行通讯的时序如图一所示。在满足该时序的情况下，我们就可以从MISO读出采样数据包。每个包内含有四个字节，数据包的格式是：[{S（1：O），C（13：8）}，{C（7：O）），{T（13：6）}，{T（5：O），xx}]，

这里S（1：O）

数据包的状态位

C（13：8） 14位湿度数据的高6位

C（710） 14位濕度数据的低8位

T（13：6）

14位温度数据的高8位

T（5：O），xx 14位温度数据的低6位，多余位

HiZ

高阻状态

通过该SPI总线，单片机可以采样到传感器输出的14位湿度和温度码，按照以下的公式（1），可换算出当前的相对湿度值（%RH）：

湿度的14位输出湿度（%RH）=一- * 100

（1）

2H 2

同样，按照以下的公式（2），可换算出当前的温度值（℃）：

温度的14位输出温度（℃）=——-*165 - 40

（2）

2H一2

2硬件构成

由于电厂烟道环境恶劣，现场存在很强的电磁场干扰，所以我们在选择CPU时，要求芯片具有很强的抗电磁场干扰能力，而且一旦CPU死机了，内置的看门狗电路能自动产生复位信号，唤醒CPU重新工作。经过比较，我们选用了STC公司的STC15F2K16S2作为本项目的CPU。该CPU不需要外部晶振和复位电路，内置看门狗电路、EEPROM电路、FLASH程序存储器，具有超强的抗干扰能力，基本满足了我们的设计要求。

如图二所示，是传感器与CPU的硬件连接图。为了进一步提高烟气湿度测量的可靠性，防止现场干扰信号窜人到CPU，影响CPU的稳定性， 我们设计了两组独立的5v电源。一组给CPU供电，另一组给传感器供电，两者之间的SPI通讯通过光耦电路进行数据传输。由于SCLK的时钟频率较高，所以我们选用的光耦是HllLl高速光耦电路。这样既不影响传输速率，也起到了电信号隔离的作用。

考虑到篇幅有限，在本文的硬件电路中，我们省略了与CPU相连接的显示電路。因此相应的显示功能在此不进行讨论。

3软件框图

本项目的软件流程图如图三所示，它由主程序和读取MISO单字节子程序组成。在主程序中，按照图一的时序图，先对HIH9131传感器发出ss片选信号，再产生SCLK的时钟脉冲，然后就分别读取湿度数据的高八位和低八位、温度数据的高八位和低八位。由于温度数据高八位的最高两个位是数据包的状态码，所以数据包读进来后，需要先判断状态码正确与否。如状态码不正确，就把数据包扔掉。如状态码正确，就把数据包存储起来。接下来就要对有效的温湿度数据进行处理。先把数据包的两位状态码，从湿度高八位中踢除，再与湿度的低八位数据合并成一个14位湿度码，根据公式（1）计算出实时的相对湿度值。由于温度的低八位数据中最后两位是无效位，所以需要将温度的十六位数据右移两位，获得

有效的14位温度码，再根据公式（2）计算出实时的温度值。该温度值虽然本项目

中用不到，但是可以送给电厂DCS系统和烟气分析仪，在此就不展开来陈述了o在读取MISO单字节子程序中，先给HIH9131传感器发一个脉冲，再从MISO读入第一位数据。然后给传感器发第二个脉冲，再从MISO读人第二位数据。这样以此类推，就可以从MISO中都取到一个字节的八位数据T。

4现场使用结论和展望

由HIH9131智能传感器构成的电厂烟气湿度测量仪，已经分别在上海吴泾发电厂2#炉和淮南田家庵发电厂4#炉得到了成功使用。现场运行近一年来表明，湿度测量的精度得到了提高，由原来的平均+3%提高到了±1.7%左右。同时还具有稳定性好、可靠性高、寿命长的特点，从而克服了市场上湿度测量探头三个月就需要更换的弊病。

要想获得市场的认可，我们还需要开发一些其他的功能，比如要增加温湿度数据的无线传输功能。由于电厂烟气湿度测量需要安装在高空的水平烟道上通常离开地面有几十米高如果有无线通讯功能，运维人员在地面就可以获取现场数据，这样就不需要爬高To这就要求我们下一步，从功能上做进一步的完善。

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