簡易湿度計V3(オートレンジ)

以前に製作した、簡易湿度計の強化見直しを図りました。

<強化ポイント>

• 印加信号の発生回路を省き、PICの内蔵モジュールで代替を行う。
• レンジ切り替えを行い精度の向上を図る。
• 調整を不要とする。

湿度センサーに直列に接続した抵抗(R:10kΩ)に、信号(500Hz矩形波)を印加すると、湿度に応じて、湿度センサーのインピーダンス®が変化するため、抵抗(R)の両端電圧(V)が変化します。
これらの条件(結果)より、演算を行い湿度を求めます。

◎湿度センサー
HS-15Pを使用します。本センサーの詳細については、簡易湿度計を参照して下さい。

◎印加信号発生
PIC内蔵のCPPモジュールをPWMモードで使用し、約500Hzの矩形波(デューティ50%)を発生させます。
この信号をHS-15Pの入力信号(V1)として印加します。この信号をPICでA/D変換して取り込みます。

◎信号の増幅
HS-15Pの出力信号(V2)を、インピーダンス変換(ボルテージフォロア)した後(V2同等)で、11倍に増幅(V3)します。
11倍に増幅する前と後の信号を各々PICでA/D変換して取り込みます。

◎信号の取り込み
V1、V2、V3の電圧をA/D変換して取り込みます。
取り込む際には、信号の矩形波の立ち上がっている期間を、5回取り込みその平均値を求めます。

◎インピーダンスの算出
HS-15Pのインピーダンス®は、オームの法則で求めることができます。
インピーダンス®=(V1-V2)÷(V2÷10kΩ)

◎レンジ切り替え
11倍された電圧(V3)の値が、4900mV以下であれば、信号が飽和(saturate)していないと判断し、上記の式のV2の変わりに、V3を1/11した値を、V2とみなし計算します。

◎インピーダンス￫湿度への換算
算出したインピーダンス®を、下表のテーブルを使用して、簡易的な方法で湿度に変換します。
尚、このテーブルで採用している値は、HS-15Pの25℃の時の特性値です。

hygro_meter_v3.c

//********************************************************************** 
/*
　　＜簡易湿度計Ｖ３（オートレンジ）＞ 
*/
//********************************************************************** 
//LCD
sbit LCD_RS at RA6_bit;
sbit LCD_EN at RA7_bit;
sbit LCD_D7 at RB7_bit;
sbit LCD_D6 at RB6_bit;
sbit LCD_D5 at RB5_bit;
sbit LCD_D4 at RB4_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISA6_bit;
sbit LCD_EN_Direction at TRISA7_bit;
sbit LCD_D7_Direction at TRISB7_bit;
sbit LCD_D6_Direction at TRISB6_bit;
sbit LCD_D5_Direction at TRISB5_bit;
sbit LCD_D4_Direction at TRISB4_bit;
//
#define BYTE    unsigned  short
#define WORD    unsigned  int
#define DWORD   unsigned  long
//********************************************************************** 
//■関数宣言 
extern  void    main();
extern  WORD    ADC_Get_Sample_Average(unsigned short channel);
//********************************************************************** 
//■A/D変換（5回平均）関数 
WORD    ADC_Get_Sample_Average(unsigned short channel)
{
        WORD  ad;
        short cnt;
        //
        while (ADC_Get_Sample(2) > (1024 * 0.1)) {
        }
        while (ADC_Get_Sample(2) < (1024 * 0.9)) {
        }
        //
        ad = 0;
        for (cnt = 0; cnt < 5; cnt++) {
                ad += ADC_Get_Sample(channel);
        }
        return (ad / 5);
}
//********************************************************************** 
//■抵抗→湿度変換関数(HS-15P)
struct  tbl {
        short   s;
        short   e;
        long    s_r;
        long    e_r;
        long    n_r;
} hygro_tbl[4] = {
        {20, 40, 8000000, 220000, 389000}, 
        {40, 60, 220000, 23000, 9850},
        {60, 80, 23000, 3500, 975},
        {80, 100, 3500, 750, 138}
};
short   hygro_cnv(long h)
{
        if ((hygro_tbl[0].s_r >= h) && (hygro_tbl[0].e_r <= h)) {
                h = (h - hygro_tbl[0].e_r) / hygro_tbl[0].n_r;
                h = hygro_tbl[0].e - h;
                return (h);
        }
        if ((hygro_tbl[1].s_r >= h) && (hygro_tbl[1].e_r <= h)) {
                h = (h - hygro_tbl[1].e_r) / hygro_tbl[1].n_r;
                h = hygro_tbl[1].e - h;
                return (h);
        }
        if ((hygro_tbl[2].s_r >= h) && (hygro_tbl[2].e_r <= h)) {
                h = (h - hygro_tbl[2].e_r) / hygro_tbl[2].n_r;
                h = hygro_tbl[2].e - h;
                return (h);
        }
        if ((hygro_tbl[3].s_r >= h) && (hygro_tbl[3].e_r <= h)) {
                h = (h - hygro_tbl[3].e_r) / hygro_tbl[3].n_r;
                h = hygro_tbl[3].e - h;
                return (h);
        }
}
//********************************************************************** 
//■メイン関数 
void    main()
{
        long    v1, v2, v3, r;
        char    buf[16];
        int     cnt;
        //
        OSCCON = 0b01110000;
        ANSEL  = 0b00011100;
        TRISA  = 0b00111111;
        TRISB  = 0b00000110;
        //
        ADC_Init();
        //
        Lcd_Init();
        Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);
        Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
        Lcd_Out(1, 1, "hygrometer v3");
        Delay_ms(1000);
        Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
        Lcd_Out(1, 4, "%");
        Lcd_Chr(1, 16, 0xF4);
        Lcd_Out(2, 5, "mV");
        Lcd_Out(2, 14, "mV");
        //
        PWM1_Init(500);        //500Hz
        PWM1_Set_Duty(PR2 / 2);
        PWM1_Start();
        //
        while (1) {
                v1 = 0;
                for (cnt = 0; cnt < 200; cnt++) {
                        v1 += ADC_Get_Sample_Average(2);
                }
                v1 = v1 / 200;
                v2 = 0;
                for (cnt = 0; cnt < 200; cnt++) {
                        v2 += ADC_Get_Sample_Average(3);
                }
                v2 = v2 / 200;
                v3 = 0;
                for (cnt = 0; cnt < 200; cnt++) {
                        v3 += ADC_Get_Sample_Average(4);
                }
                v3 = v3 / 200;
                //
                v1 = (double)v1 * 4.8828125;
                v2 = (double)v2 * 4.8828125;
                v3 = (double)v3 * 4.8828125;
                if (v3 < 4900) {
                        v2 = v3 / 11;
                        Lcd_Chr(2, 16, '_');
                } else {
                        Lcd_Chr(2, 16, ' ');
                }
                r = (double)(v1 - v2) / ((double)v2 / 10000);
                //
                ByteToStr(hygro_cnv(r), buf);
                Lcd_Out(1, 1, buf);
                LongToStr(r, buf);
                Lcd_Out(1, 8, &buf[3]);
                WordToStr(v1, buf);
                Lcd_Out(2, 1, &buf[1]);
                WordToStr(v2, buf);
                Lcd_Out(2, 9, buf);
        }
}
//********************************************************************** 

(編者注：壊れた画像しか保管されておりませんでした)

左上:湿度、右上:HS-15Pのインピーダンス、左下:HS-15Pの入力電圧、右下:HS-15Pの出力電圧

左側<黄色(100mV/DIV):HS-15Pの入力電圧、青色(100mV/DIV):HS-15Pの出力電圧>
右側<黄色(100mV/DIV):HS-15Pの入力電圧、青色(20mV/DIV):HS-15Pの出力電圧>

<精度向上へ向けての課題>

• 周囲の温度に応じた、温度補償を行う必要があります。
• インピーダンスから湿度への変換方式を見直す必要があります。(対数演算など)