戶外LED顯示屏參數(shù)監(jiān)控板設(shè)計(jì)

　　LED顯示屏其以容易控制、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。但除一些室內(nèi)應(yīng)用之外，LED大屏幕多應(yīng)用于廣場(chǎng)、火車站、商業(yè)街等，因受溫度、濕度、煙霧、下雨、塵埃等因素影響會(huì)導(dǎo)致LED快速老化，出現(xiàn)故障和壽命縮短。如出現(xiàn)問(wèn)題才去修理，會(huì)造成高成本維修或者不可修復(fù)性損傷。

　　監(jiān)控板可以實(shí)時(shí)檢測(cè)LED顯示屏所處環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度，是否有煙霧等信息，并將測(cè)得參數(shù)信息上傳至控制計(jì)算機(jī)，監(jiān)控軟件會(huì)將這些信息顯示在界面上。這就使得各個(gè)燈箱的工作情況和環(huán)境參數(shù)呈現(xiàn)出來(lái)，便于監(jiān)測(cè)和管理。

　　選取STC的一款單片機(jī)作為核心處理器件，該單片機(jī)帶有8路的A/D通道，因?yàn)樗獪y(cè)量的都是模擬量，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能處理。測(cè)量溫度可用熱敏電阻或者DS18B20,DS18B20數(shù)字式的溫度傳感器，精度高?？紤]到DS18B20的操作較為復(fù)雜，占用單片機(jī)較大的程序空間，而監(jiān)控板要求的溫度精度并不高，所以采用熱敏電阻作為溫度傳感器件。常用的相對(duì)濕度傳感器有濕敏電阻和濕敏電容等方式。用濕敏電容和555定時(shí)器組合的方式，程序上容易實(shí)現(xiàn)且相對(duì)穩(wěn)定。煙霧傳感器有光電式和離子式兩種，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，離子式的煙霧傳感器價(jià)格略高，但處理程序較簡(jiǎn)單，占用的程序空間較小，所以采用離子式煙霧傳感器。

　　1、系統(tǒng)框圖

　　自身帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)可以作為處理器，再配合溫度傳感器、濕度傳感器和煙霧傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這3種環(huán)境參數(shù)的采集和測(cè)量。

圖1　系統(tǒng)框圖

　　2、溫度采集模塊

　　考慮到實(shí)際境況中對(duì)溫度測(cè)量的精度要求不是很高而且要控制成本，選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器。圖2反映的是該熱敏電阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　實(shí)際電路中，采用熱敏電阻和高精度電阻分壓的方法，將它們的連接端接入單片機(jī)帶A/D功能的引腳。該單片機(jī)有8路10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)100kHz。因此可以省略A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，將硬件電路功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，R44的阻值就發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)分壓后，輸出TEM_TEST電壓信號(hào)變化，單片機(jī)A/D采樣值隨之發(fā)生變化。將圖轉(zhuǎn)換成一張表格存儲(chǔ)在單片機(jī)的代碼段里，按照得到的A/D采樣值查表，用差值的方法就可以得到當(dāng)前的溫度值。

圖2　實(shí)際的熱敏電阻溫度特性

　　3、相對(duì)濕度采集模塊

　　濕度傳感器選用濕敏電容，其容值隨濕度的變化而變化。如圖3所示。

圖3　濕度響應(yīng)曲線

　　濕度傳感電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4　濕度傳感電路

　　濕敏電容和TLC555配合使用可以完成相對(duì)濕度的測(cè)量。TLC555具有定時(shí)精度高，工作速度和可靠性高，電源電壓范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它內(nèi)部由R-S觸發(fā)器、比較器、輸出級(jí)、分壓器、放電電子開(kāi)關(guān)幾部分組成。如圖4所示，C8為濕度傳感器，它和R24,R36,R38,TLC555組成了非穩(wěn)態(tài)的間接反饋多諧振蕩器，將相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。輸出頻率范圍是7351～6033Hz,所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度為0～100%。

　　TLC555充、放電時(shí)間分別為：

　　輸出波形的頻率f和占空比D的計(jì)算公式如下：

　　通常取R36nR24,使得D≈50%,輸出接近于方波。

　　當(dāng)相對(duì)濕度變化時(shí)，濕敏電容的容值隨之發(fā)生變化，進(jìn)而TLC555輸出波形的頻率發(fā)生變化，單片機(jī)根據(jù)得到的頻率再通過(guò)插值法得到當(dāng)前的相對(duì)濕度值。輸出方波頻率與相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　輸出方波頻率與相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)對(duì)照表

　　4、煙霧信息采集模塊

　　煙霧采集模塊采用的MC14468煙霧檢測(cè)器和NIS-09C煙霧傳感器，分別如圖5和圖6所示。

圖5 MC14468引腳圖

圖6 NIS-09C外形圖

　　煙霧檢測(cè)器MC14468是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的離子感煙探測(cè)報(bào)警專用芯片，為大規(guī)模CMOS電路構(gòu)造。它只需外接一個(gè)離子源和用于安裝離子源的離子室及少量的外部元件，即完成煙霧探測(cè)和報(bào)警功能。當(dāng)探測(cè)到煙霧時(shí)，它能通過(guò)外接的壓電式換能器和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出報(bào)警聲。

　　NIS-09C煙霧離子室。它是日本Nemoto公司專為檢測(cè)煙霧設(shè)計(jì)的新型傳感器。離子源是镅241,其放射強(qiáng)度低至018Ci（即018微居里），不會(huì)對(duì)人體造成傷害，也不會(huì)污染環(huán)境，離子源裝在離子室的頂部。

　　煙霧傳感電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7　煙霧傳感電路設(shè)計(jì)

　　如果檢測(cè)到煙霧，時(shí)鐘周期T0就變成40ms,同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路，使之打開(kāi)160ms,再關(guān)斷80ms。在關(guān)斷期間若沒(méi)有檢測(cè)到煙霧，就禁止BZ發(fā)出報(bào)警聲。一旦檢測(cè)到煙霧，LED就以1Hz的頻率閃爍發(fā)光，表示煙霧報(bào)警，1腳由低電平變?yōu)楦唠娖健?/P>

　　5、系統(tǒng)調(diào)試

　　串口助手接收區(qū)的“8180”是用補(bǔ)碼表示的溫度值，實(shí)際是24℃。“BC”表示相對(duì)濕度值60%,“BC”后的“81”表示煙霧報(bào)警，若為“80”則不報(bào)警。

　　這是中間截取的數(shù)據(jù)，實(shí)際這些數(shù)據(jù)要送給控制計(jì)算機(jī)，借助專用軟件顯示會(huì)更直觀。

圖8串口助手調(diào)試界面

　　該系統(tǒng)檢測(cè)溫度的精度是1℃，相對(duì)濕度的精度是1%。經(jīng)實(shí)際測(cè)量得到溫度值誤差最大為1℃。相對(duì)濕度的誤差較大，最大為5%,該誤差與濕敏電容器件之間的差異性有很大關(guān)系，若要得到誤差小的相對(duì)濕度，則需要校正程序。

　　6、結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控板能夠得到LED各個(gè)燈箱的溫度、相對(duì)濕度和煙霧信息，工作穩(wěn)定且可靠性高，適用于那些對(duì)溫度和相對(duì)濕度精度要求不是特別高而且對(duì)成本敏感的場(chǎng)合。