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 I seguenti documenti opera sono condivisi sotto i termini della licenza Creative Commons Attribuzione - Non commerciale - Condividi allo stesso modo 3.0 Unported License. Stazione meteo con NI USB-6008 e NI-DAQmx®Come allestire una semplice stazione meteo per la misura della temperatura interna, temperatura esterna, umidità relativa, usando una scheda di acquisizione National Instruments USB-6008 e le API NI-DAQmx® per Visual C++ a cura di Francesco Parisi (fparisi [at] gmail [dot] com) - Versione 1.0 - Ultima revisione: 07 Aprile 2007 [Indice] [La scheda NI USB-6008] [Misura della temperatura interna] [Misura della temperatura esterna] [Il software di gestione] Misura della umidità relativaLa misura della umidità relativa dell'aria è un po' più impegnativa rispetto alla misura delle temperature, richiede due circuiti di condizionamento: il primo per "tradurre" una variazione di capacità del sensore in una variazione di tensione, il secondo per "scalare" questa variazione di tensione al range unico 0...2.5V.Il sensore Per la misura della umidità dell'aria utilizzeremo un sensore Philips 2322 691 90001. Questo sensore è di tipo capacitivo, cioè fornisce
una capacità dipendente dal valore di umidità relativo misurato.Le sue caratteristiche principali sono una scarsa sensibilità alle variazioni di temperatura, una buona precisione e linearità , che unite a un basso costo lo rendono ideale per applicazioni domestiche e automotive (igrometri, climatizzatori automatici ecc.). La capacità di questo sensore, come già detto, varia al variare dell'umidità relativa dell'aria; per esempio, con un umidità relativa percentuale (di seguito %RH) del 73% la capacità è di 122pF. Il suo intervallo di linearità è 12…75 %RH entro il quale la sensibilità è di 0,4pF/%RH ovvero 0,4pF per ogni punto percentuale di umidità relativa. 
Dal grafico, siamo dunque in grado di determinare, con buona approssimazione, la funzione che mette in relazione l'umidità relativa con la capacità :  %RH è l'umidità in percentuale, C è la capacità del sensore espressa in pF N.B. I valori sopra riportati sono validi quando il sensore è sottoposto a una frequenza di circa 100 kHz. Il sensore ha una "latenza" di circa due minuti nelle variazioni di umidità . Primo circuito di condizionamentoUsando questo sensore capacitivo, la misura dell'umidità relativa potrebbe essere riconducibile essenzialmente alla misura di una capacità . Una volta misurata la capacità si applica la formula appena vista e si determina quindi %RH. Come misurare la capacità ? Uno dei tanti modi consiste nel misurare la frequenza di un multivibratore astabile la cui capacità è appunto costituita dal sensore; misurando la frequenza, conoscendo la resistenza si risale al valore della capacità una seconda strada potrebbe essere l'utilizzo di un convertitore frequenza-tensione (es. l'LM231 della National) che fornisce una tensione linearmente proporzionale con la frequenza e quindi con la capacità ; un altro metodo, che è quello che seguiremo, invece utilizza un modulatore PWM, a periodo costante con ampiezza dell'impulso variabile, il cui duty cicle è proporzionale a una capacità ovvero alla capacità del sensore. Esso consta di un multivibratore monostabile, triggerato da impulsi a periodo costante. La capacità del monostabile è costituita proprio da quella del nostro sensore. Al variare della capacità , ovvero dell'umidità relativa, varia l'ampiezza dell'impulso e quindi il duty-cicle dell'onda quadra.Nello schema che segue vengono utilizzati due TLC555 (versione C-MOS del 555) IC1 e IC2; IC1 è in veste di multivibratore astabile (oscillante sui 96 kHz circa, quindi a una frequenza prossima ai 100 kHz per la quale sono definite le specifiche del sensore) con duty-cicle molto piccolo, mentre IC2 è configurato come multivibratore monostabile il cui periodo T vale circa 1,1*R*C, ove R è costituito dalla resistenza equivalente serie R1+R4 e C3 dal sensore..   Dunque, in corrispondenza della capacità minima del sensore pari a 112pF
(che si ha in quando RH=10%) avremo un duty cicle dell'onda quadra minimo,
mentre in corrispondenza della capacità del sensore massima del sensore pari a 144pF
(che si ha per RH=90%), il duty cicle dell'onda quadra è massimo.Resta ora da capire come possiamo "tradurre" questa informazione contenuta nel duty cicle funzione lineare dell'umidità relativa in una tensione. Quel "qualcosa" che ci consente di realizzare ciò è il valore medio dell'onda quadra. Si dimostra che il valore medio di un segnale ad onda quadra è dato da: Vm=Vmax * D.C. Ove: Vm è il valore medio, Vmax è il valore massimo dell'onda quadra e D.C. è il suo duty cicle. Dunque, nel caso del nostro sensore avremo che il valore medio varia linearmente fra un valore minimo e un valore massimo dipendente dal valore di R4+R1, dunque regolando in fase di taratura il trimmer R4 faremo in modo che in corrispondenza del minimo valore di capacità del sensore (122 pF) si abbia un valore medio di 2,5V. Perché 2.5V come estremo inferiore? Un successivo stadio di condizionamento (posto sulla scheda "main") basato su un op.amp. sottrattore farà la differenza proprio con il riferimento di 2,5V della 6008 (sprecato il lasciarlo inutilizzato...) e quindi scalerà l'estremo inferiore dell'intervallo di tensione a 0V, mentre l'estremo superiore verrà amplificato in modo tale da portarlo ai soliti 2,5V di fondo scala dell'intero sistema di condizionamentoPer estrarre il valore medio di un segnale a onda quadra occorre un filtro passa-basso (nel nostro circuito rappresentato da R6 e C6) opportunamente dimensionato. La banda passante del filtro deve essere molto più piccola della frequenza del segnale ad onda quadra. Una buona regola è scegliere la banda passante del filtro 1/4Â…1/5 della frequenza dell'onda quadra. Con R=4,7kOhm e C=1uF abbiamo una banda passante di 30 Hz e quindi la regola è abbondantemente rispettata. Taratura Di seguito viene illustrato un metodo piuttosto semplice per tarare via hardware il sistema di misura dell'umidità . Una seconda taratura verrà fatta via software (vedi Software di gestione) E' evidente che migliori risultati, si otterranno utilizzando un igrometro campione, piuttosto che il metodo "artigianale" che verrà descritto. La taratura consiste essenzialmente nel regolare il trimmer R4 fino ad avere una tensione di 2,5V all'uscita del filtro R6/C6, in corrispondenza della minima capacità del sensore (ovvero 112pF circa). Per realizzare una capacità di 112 pF, potremo utilizzare due condensatori da 22pF in serie, in parallelo a un condensatore da 100pF, e ancora in serie il 100nF, la capacità equivalente è quindi sui 111 pF circa.  Procedimento: 1) Inserire la capacità così realizzata, al posto del sensore 2) Collegare un multimetro digitale impostato come voltmetro DC in parallelo all'uscita del filtro R6-C6 (morsetti U-2,U-1) e regolare il trimmer del monostabile fino a leggere una pari a 2,5V La semplice fase di taratura è così stata realizzata. Volendo è possibile misurare la tensione di uscita in corrispondenza del massimo valore di capacità del sensore (144 pF). Per realizzare una capacità di 144 pF riutilizzeremo gli stessi condensatori questa volta però tutti collegati in parallelo fra di loro e sempre in serie al condensatore da 100 nF.  Collegando un multimetro digitale impostato come voltmetro DC in parallelo all'uscita del filtro R6-C6 (morsetti U-2,U-1); la tensione dovrebbe essere sui 3,1~3,2V Quindi abbiamo condizionato il range %RH=0...%RH=90 al range di tensione 2,5V...3,1V. Un successivo stadio di condizionamento, che andiamo di qui a poco a vedere, porterà questo range di tensione al range unico 0...2,5V N.B. particolare attenzione deve essere posta nella scelta dei componenti: è preferibile usare tutti resistori a film metallico da 1% di tolleranza, trimmer multigiri (25 giri) cermet; la capacità C5 dell'astabile è bene che sia di tipo NP0 Secondo circuito di condizionamentoIl secondo circuito di condizionamento è situato sulla scheda main, come è possibile vedere nella vista d'insieme. Il suo scopo, come appena detto, è quello di scalare il range di tensione 2,5V...3,1V a quello unico 0...2,5V
Appendice
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