多通道智能溫濕度測試儀的研制

關(guān)鍵詞： 溫濕度；單片機(jī)；測試儀

引言
溫濕度的測量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活及科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，但由于常用濕度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使?jié)穸鹊臏y量方法和手段相對(duì)較復(fù)雜，且給電路的調(diào)試帶來很大的困難。為此，采用Honeywell公司的線性電壓輸出濕度傳感器HIH3610研制出一種測試精度高，能測試多點(diǎn)溫濕度，且可與上位機(jī)通信的溫濕度智能測試儀。該測試儀可實(shí)現(xiàn)溫濕度的多點(diǎn)自動(dòng)測量，為溫濕度測量自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。

儀器硬件電路
多通道溫濕度測試儀的硬件電路如圖1所示。由于HIH3610為大信號(hào)輸出且線性度良好，因此，可省去復(fù)雜的信號(hào)放大及調(diào)理電路，僅需一片A/D轉(zhuǎn)換器將與濕度值成正比的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并與單片機(jī)接口即可，由于HIH3610輸出信號(hào)電壓范圍為0.8~3.9V，而一般A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0~5V，直接使用此類A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)造成轉(zhuǎn)換分辨率的降低，故這里選用了具有轉(zhuǎn)換最大值、最小值設(shè)定功能的A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543。

前向通道
前向通道電路原理圖如圖2所示，TLC2543 是美國TI公司的串行控制11路模擬量輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器具有零值設(shè)定端REF-和滿度值設(shè)定端REF+，可滿足本系統(tǒng)需要對(duì)輸入模擬量上下限進(jìn)行設(shè)定的要求，同時(shí)該器件具有最多11路的模擬量輸入功能，因而可使本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最多11路的濕度測量功能。
而HIH3610的輸出可直接與TLC2543的模擬輸入端相連，這里關(guān)鍵是要設(shè)定TLC2543的REF+和REF-的基準(zhǔn)電壓輸入端參考電壓值，我們采用了電阻分壓方式，其中R1和RP1用于設(shè)定滿度電壓值，調(diào)整RP1可使?jié)M度電壓值在1/2Vref~Vref之間變化。R2和RP2用于設(shè)定零值電壓，調(diào)整RP2可使基準(zhǔn)值電壓在0~1/2Vref之間變化，零值電壓和滿度電壓值可根據(jù)HIH3610出廠時(shí)給出的標(biāo)定值，計(jì)算出該傳感器的最大和最小輸出電壓值來設(shè)定。這里RP1和RP2應(yīng)采用精密多圈電位器。
溫度傳感器DS18B20采用外加電源供電方式，可根據(jù)測溫點(diǎn)數(shù)的需要將多個(gè)DS18B20掛在一根總線上，并與單片機(jī)AT89C52的P1.0口線相連。
中文界面及實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)由于要顯示多路溫濕度值，如采用LED顯示器分時(shí)循環(huán)顯示的方法，每通道顯示時(shí)間為2s，則顯示完成全部通道的溫濕度值所需要的時(shí)間為44s，這對(duì)于要求快速顯示測量值的應(yīng)用場合顯然是不合適的。另一方面對(duì)智能化的測量儀器而言，如能擁有一個(gè)友好中文人機(jī)界面則將大大增強(qiáng)儀器的可操作性，并可提高測量儀器的檔次，基于以上的考慮，這里采用了內(nèi)藏中文字庫的液晶圖形顯示模塊LCM1286ZK，該模塊的顯示點(diǎn)陣數(shù)為128×64，可分為4行顯示，每行最多為8個(gè)漢字或16個(gè)ASCⅡ字符，從而很好地解決了LED循環(huán)顯示周期過長及人機(jī)顯示界面不友好的弊端。LCM12864ZK與單片機(jī)的接口方式有8 位/4位并行和2/3線串行模式。這里利用其二線串行模式與單片機(jī)接口，簡化了與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)，并減少了硬件資源的占用。
數(shù)據(jù)保存
為了將實(shí)時(shí)采集的各點(diǎn)溫濕度值保存下來，以便于對(duì)歷史數(shù)據(jù)查閱和繪制出實(shí)時(shí)或歷史溫濕度值變化曲線，同時(shí)也為便于將歷史測量的溫濕度值傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)來完成各點(diǎn)溫濕度值的變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析。這里擴(kuò)展了一片基于I2C總線的高性能鐵電存儲(chǔ)器FM24C256，該存儲(chǔ)器兼具ROM和RAM的優(yōu)點(diǎn)。存儲(chǔ)容量為32Kbyte，由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集周期可在1~30分鐘的范圍內(nèi)設(shè)置。為了便于按采集的日期及時(shí)間保存溫濕度值，我們擴(kuò)展了I2C總線實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘SD2002，該器件可與FM24C256掛在同一條I2C總線上。數(shù)據(jù)保存格式為：小時(shí)(1字節(jié))、分鐘(1字節(jié))、濕度值(2字節(jié))、溫度值(1字節(jié))，這樣保存全部的11個(gè)通道溫濕度值所需的存儲(chǔ)空間為35個(gè)字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為10分鐘時(shí)，可保存15個(gè)小時(shí)的溫濕度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件特點(diǎn)
大信號(hào)傳感器
傳統(tǒng)的溫濕度測量多采用模擬小信號(hào)傳感器，不僅信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜，且濕度值的標(biāo)定過程也極其復(fù)雜，并需要使用昂貴的標(biāo)定儀器設(shè)備。而本系統(tǒng)由于采用了大信號(hào)濕度傳感器及數(shù)字式溫度傳感器，因而無須進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理，也無須對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定,且大信號(hào)輸出形式有利于傳感器信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。以上特點(diǎn)大大簡化了測試儀器前向通道的設(shè)計(jì)。
串行擴(kuò)展技術(shù)
本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)單片機(jī)的總線擴(kuò)展方式而采用串行擴(kuò)展技術(shù)來擴(kuò)展外圍功能電路。雖然AT89C52單片機(jī)并不直接支持各種串行總線接口，但是這里采用了單片機(jī)的通用I/O口線，來模擬I2C總線、1-wire總線、SPI總線及二線串行總線，并通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)與各外圍器件的通信功能。串行擴(kuò)展技術(shù)簡化了儀器接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，并提高了儀器工作的可靠性。但值得注意的是，串行擴(kuò)展技術(shù)簡單的硬件接口是以復(fù)雜的接口時(shí)序?yàn)榇鷥r(jià)的，因而在軟件編程時(shí)一定要嚴(yán)格遵守器件的操作時(shí)序。

圖1 多通道溫濕度測試儀硬件原理框圖

圖2 前向通道電路原理圖

測量精度
本系統(tǒng)由于采用了大信號(hào)濕度傳感器及數(shù)字式溫度傳感器，故具有較高的測量精度，同時(shí)由于采用了12位的A/D轉(zhuǎn)換器，使得濕度值具有較高的分辨率。對(duì)本系統(tǒng)濕度測量精度影響較大的是A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)參考點(diǎn)電壓的設(shè)定，這也是本儀器中唯一一處需要調(diào)試的硬件電路，因而精密基準(zhǔn)電壓源及電壓調(diào)整元件的選型至關(guān)重要。如軟硬件調(diào)試無誤，本測量儀的濕度測量精度可達(dá)±2%RH，溫度精度可達(dá)±0.5%℃。
軟件功能
本測試儀軟件首先對(duì)系統(tǒng)各器件進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)TLC2543 A/D轉(zhuǎn)換器的自檢，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的測試輸出值是否為(Vref+-Vref-)/2、Vref-及Vref+來判斷A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的正常與否，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，完成對(duì)各通道濕度信號(hào)的采樣，并將采集的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償及標(biāo)度變換后，送至液晶顯示器顯示和送入鐵電存儲(chǔ)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。為了實(shí)現(xiàn)溫濕度信號(hào)采集的即插即測功能，在軟件中使用了零值檢測跳過技術(shù)及無匹配跳過技術(shù),即對(duì)濕度信號(hào)采集時(shí)，如采集結(jié)果為零，說明該路傳感器沒有接入，程序?qū)⒆詣?dòng)跳過該傳感器進(jìn)行下一路傳感器數(shù)據(jù)的采集直到相應(yīng)的傳感器結(jié)果不為零時(shí)，則將該路濕度值和傳感器號(hào)送去顯示，這樣就可做到濕度傳感器的自動(dòng)識(shí)別功能。而溫度的采集則預(yù)先將所有的DS18B20的匹配碼全部寫入到單片機(jī)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器匹配碼表格區(qū)中，每周期采集一次溫度值。單片機(jī)首先發(fā)送匹配碼，只有能匹配的傳感器才能讀回溫度值，否則跳過該傳感器，這樣就可實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的即插即測功能。與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信則采用由上位機(jī)發(fā)送命令碼的方式，根據(jù)命令碼的內(nèi)容而執(zhí)行相應(yīng)的操作功能。

結(jié)語
多通道智能溫濕度測試儀研制完成后經(jīng)實(shí)際使用證明，具有測量精度高，硬件電路簡單，使用方便的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)溫濕度儀測量精度低、電路復(fù)雜、調(diào)試及標(biāo)定困難等缺點(diǎn)，同時(shí)還具有人機(jī)界面友好、智能化程度高、溫濕度測試點(diǎn)數(shù)較多且可實(shí)現(xiàn)即插即測功能等特點(diǎn)，為溫濕度測量的自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)?！?/P>

參考文獻(xiàn)
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