基于R7F0C802 MCU的温湿度测量系统

无论日常生活，还是工业生产，温度和湿度都市十分重要的技术指标，需要快速、准确测量才能保障生活与工作的正常运行。这就需要一个系统方案，用MCU把传感器获得的数据进行准确处理后发送出去，本方案就是一个基于R7F0C802 MCU的温湿度测量系统。

系统演示板及R7F0C802芯片内部结构

方案特点

本系统采用R7F0C802小封装8位MCU，电路分为温度测量电路、湿度测量电路、电压检测电路和LED驱动电路四部分。

温湿度测量系统组成

本系统通过UART与控制器进行通信，发送当前温度和适度数据。通过定时器阵列单元测量湿度传感器电路输出的频率信号，采集当前湿度数据;通过AD转换器测量温度传感器电路输出的电压信号，采集当前温度数据。

系统有低功耗和运行两种模式，工作温度-40°C至85°C，工作湿度0~100%RH。除了温湿度传感器接收MCU指令进行数据采集，其他时间均处于低功耗模式。主要技术参数如下：

电源：4.5~5.5V

低功耗电流(MCU)：290μA@5MHz

传感器寿命：>10年

响应时间：<1秒

温度测量范围：-40°C至85°C

温度测量精度：1°C

湿度测量范围：1~99%RH

湿度测量精度：0.1%RH

工作原理

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(Nomal)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。

温湿度测量系统电路图

温度测量电路

通过A/D转换，可得出当前温度。本系统采用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直接成比例。

使用MCU内部集成的10位A/D，系统采集TC1047A输出的电压信号。系统电源电压为5V时，最小分辨电压大约为5mV，而TC1047A对应1C的电压变化为10mV，完全满足测温精度1℃的使用需求。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，可自行标定确定实际曲线斜率和截距。

湿度测量电路

传感器HS1101LF的相对湿度变化和电容值呈线性规律，将电容值的变化转换成频率的变化，即可进行有效地数据采集。

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。HS1101LF电容传感器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。

为了使输出脉冲占空比接近50%，R2应远远小干R8。当外界湿度变化时，HS1101LF两端电容值的变化改变了定时电路的输出频率。只要测出555的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。R4为输出端的限流电阻，起保护作用。

本系统中使用MCU的16位定时器阵列单元通道0的输入脉冲间隔测量模式，进行频率的测量。定时器计数时钟周期为5MHz时，对应湿度0%的频率输出7299，定时器数据寄存器的值为685;对应湿度100%的频率输出6160，定时器数据寄存器的值为811，可满足0%-100%的湿度测量。

电压检测电路

由于此单片机AD 转换器的基准电压为MCU供电电压，为使AD转换的结果更加准确，需要实时检测系统的当前电压。

本系统使用瑞萨电子生产的24V稳压管(NNCD24DA)产生稳定的电压，通过MCU的A/D 转换功能，推测出当前的系统电压，从而为温度传感器输出信号提供A/D 基准电压值。

LED驱动电路

本系统状态指示灯采用红色贴片发光二极管，其驱动电流一般在20mA左右。由于单片机的I/O无法提供这么大的驱动电流，但单个引脚的灌电流却可以达到40mA，因此选用低电平点亮LED 驱动电路。

芯齐齐BOM分析

本方案BOM元器件总数28个。其中，R7F0C802是瑞萨面向中国客户开发的8位通用MCU，采用RL78内核实现了高速处理与低功耗。高精度±2%的片上振荡器最大频率可达到20MHz，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，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。

温湿度测量系统BOM表

TC1047A是Microchip公司生产的线性电压输出温度传感器，其输出电压与测得的温度直接成比例。TC1047A可精确地测量从-40°℃到+125℃之间的温度，其电源电压范围为2.5V至5.5V，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。在25℃时转换精度最大值为2℃，电源电流为35uA(典型值)。

HS1101LF是一种基于电容原理的湿度传感器，由法国Humirel公司生产。其相对湿度的变化和电容值呈线性规律。因此将电容值的变化转换成频率的变化，即可进行有效地数据采集。

湿度传感器只是保证传感器的精度，在实际使用中，综合精度除了与湿度传感器本身元件有关，还与外围电路的器件选择相关。为了与HS1101LF温度系数相优配，R2数值应取为1%精度，最大温漂不超过100ppm。

审核编辑：汤梓红