温湿度测量系统（精选7篇）
温湿度测量系统 篇1
摘要：本系统由控制部分和采集部分组成, 实现对环境温度和湿度数据的采集、传输和监控。控制部分以ATmega16单片机为核, 单片机接收并处理数据, 通过液晶128*64显示当地环境的温度和温度。数据采集部分由ATmega16单片机控制传感器进行数据采集并通过nRF905无线模块进行传输, 传感器采用SHT10数字温湿度传感器。测试表明, 该系统具有较强稳定性和实用性。
关键词：ATmega16,nRF905,SHT10,无线传输
1 引言
随着电子科技的发展, 电子系统的实现方式发生了翻天覆地的变化, 电子系统元件构成由分离元件走向了集成电路, 信号传输方式也由有线传输走向了无线传输。本文以集成电路为核心, 采用无线数据传输方式, 实现了无线温湿度测量系统。
2 系统方案设计
如图1, 图2所示为低功耗无线温湿度测量系统的发送和接收模块的框图。其中图1为无线发送模块, 以Atmega16L[1]为主控制核心, 控制温湿度传感器SHT11采集环境的温湿度, 然后利用nRF905无线传输模块将采集到的温湿度数据发送给温湿度测量无线接收模块进行相应处理。图2为温湿度测量无线接收模块, 以Atmega16L为主控制核心, 利用nRF905无线传输模块接收温湿度数据, 再通过PC模块显示。
3 系统软件设计
系统软件设计包括温湿度测量和无线收发两个部分。对于温度和湿度, 它们并非是急剧变化的物理量, 温湿度的变化往往是缓慢进行的, 因此针对这个特点对于温湿度的测量采集并非需要时时刻刻都在进行。而是每隔T时间 (T根据实际需要而定, 本系统选用1 s) 采集一次, 其余时间由于低功耗的要求使得MCU处于休眠状态。其程序流程如图3所示。其中Atmega16L进入休眠状态是通过对SE编程休眠使能, 并且对SM 2.0编程后进入相应的省电模式状态, 然后通过定时器的计时中断将Atmega16L唤醒, 再进行测量以及数据传输。
对于无线发送而言, 在测量发送数据以后, 应考虑到数据传输的可靠性, 因此加上校验功能, 并且为防止偶然的发送失败带来的不良后果, 采取定时等待, 超时后重发, 收到接收主机命令后才进入休眠的模式。具体流程图如图4所示。对于接收端而言, 所完成的任务是时刻检测无线接收模块, 对于收到的数据进行校验, 如果正确收到数据则无线发送相关指令告知接收端, 使其能够尽快进入休眠省电模式, 并且通过上位机显示温湿度;而接收到错误数据后不做任何处理, 等待接收端再次发送数据。
4 系统测试
本系统分别在A、B、C三个不同环境中测量温湿度, 测量结果和参考数据误差小于1%, 其测试结果和参考数据如下表:
5 结论
该系统采用AVR系列低功耗单片机ATmega16L作为控制芯片, 低功耗芯片nRF905作为无线收发模块, 设计并实现了基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度无线测量系统, 由于SHT11具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点, 不仅节省了单片机I/O口资源, 使系统整体设计成本下降, 还提高了测量精度, 同时大大简化了单片机的程序编写。SHT11还具有更优越的信号质量, 更快的反应时间和更灵敏的抗外部干扰能力, 所以该系统较传统温室测量系统在性能上有了很大的提高。
这些低功耗产品使得该系统耗电量小, 并且又特别适合将该系统小型化, 智能化, 仪表化。无线发射功能又代替了人工抄表的繁琐, 使得本系统有着广泛的应用前景。
参考文献
[1]孙志凯.基于ATmega16和nRF905的无线射频收发系统设计[J].电子元器件应用.2008, (5) .
温湿度测量系统 篇2
温度和湿度与人们的生活息息相关。在工业身产、气象、环保、国防、科研等部门,经常需要对环境温度与湿度进行测量与控制。准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是相关重要的。
科学合理的使用和管理仓库与存储物物资的使用寿命和可靠性是有着直接的联系,保持适当的温度和湿度是仓库的注意事项之一。为了能够顺利完成日常任务,增强检测工作是首当其冲要解决的问题。传统的检测措施过于落后,并且费时费力,控制精度低,实时性差,效率不高,还伴随着一定的危险性。这迫使需要一种使用方便,性能可靠、响应迅速的测量系统,由此本温湿度测量系统出现在人们的生活中。
2 系统软件模块
1)FLASHMEMORY的特性使得嵌入式主控芯片性能更加可靠、速度更快、稳定性更高、性能价格比极高。另外嵌入式处理器芯片特别适合我们学生用来做平常的研究与开发。
2)1602液晶显示器功耗更低、重量更轻、质量更高、操作更加简单方便。故此选择1602液晶作为显示模块。
3)DHT11传感器普遍用于各种测试及检测设备、汽车、家电等应用领域。综合考虑到整体系统的可靠性和及时性以及稳定性,DHT11传感器更加适合。
4)嵌入式ARM2000系列的芯片有32个I/O口资源充足以及该系统要操作简单,便于实现等因素,独立式键盘更加符合本设计的需求。
5)压电式蜂鸣器灵敏度高、功耗低、可靠性高以及性价比高。因此本系统设计中压电式蜂鸣器是首选方案。
3 主要系统硬件设计简介
3.1 硬件设计模块详述
1)嵌入式ARM最小系统,是整个主控模块的核心部件,充当着“大脑”的角色;2)LCD显示模块,通电后就可显示字符,使用方便且稳定;3)键盘输入模块,可以更加简便地设置仓库温度与湿度的阈值;
3.2 主要硬件模块图设计
4 实物仿真
系统软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验,然后分别进行主程序、各个子程序的编程及调试,最后将编译好的程序生成hex文件后加载给嵌入式ARM芯片,点击运行按钮即可看到实时仿真结果。
摘要：利用嵌入式芯片作为整体系统的主控芯片。并发布指令给DHT11数字式复合型传感器进行数据采集,用1602 LCD实时显示所采集得到的数据。用独立式键盘来设置阈值并与所得数据比较。如果超出范
关键词：单片机,传感器,液晶,阈值,蜂鸣器
参考文献
[1]马钧钊.基于嵌入式WEB的烟草仓库智能监控系统[D].南昌:华东交通大学,2013.
[2]何瑞平.基于嵌入式和虚拟仪器技术的无线粮仓监测系统的设计与实现[D].西安:西北大学,2014.
谷物湿度测量系统的设计 篇3
随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高,湿度的检测不仅在工业生产过程中广泛应用,而且在农业生产过程中必不可少,特别是在谷物的运输与储存过程中,检测并控制好谷物的湿度具有重要意义。在常规的环境参数中,湿度是很难准确测量的一个参数。传统的谷物测湿方法是通过称量烘干前后谷物的质量来求湿度,这种方法的缺点是测量速度慢。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,也早已无法满足现代科技发展的精度的要求。近年来,国内外在湿度传感器研发方面取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化和智能化检测的方向迅速发展,将湿度测量技术提高到新的水平[1]。
1 常用湿度传感器的优缺点
湿度传感器就感湿材料而言,大致可以分为3类,即电解质型、半导体陶瓷型和有机高分子聚合物型。高分子湿度传感器虽然起步较晚,但发展迅速,是目前研究最多和应用较广的一类新型湿度传感器,可分为电阻型、电容型、声表面波型和光学型等,并以前两类最为常用。
1.1 电阻式湿度传感器
电阻式湿度传感器的感应速度较快,结构紧凑,而且适应性也优于机械式传感器[2]。现有的电阻式湿度传感器大都采用与敏感层粘着方式,相互保持一定间隔,配置一对极薄的电极并对其间的电阻变化进行测量。湿敏层的电阻一般都相当高,而电阻值过大时湿度传感器输出的测量电路就相当复杂,并且易受外来噪声和漏阻的影响,不能做高精度传感器输出的测量。只有通过增大电极的对向面积或减小电极的间隙,来降低湿度传感器的电阻值。现有的电阻式湿度传感器大都采用照相印刷技术制作电极,尺寸精度受到限制,电极间隙也不可能减小到理想的程度。因此,电阻式湿度传感器的小型化便成为问题。
1.2 电容式湿度传感器
电容式湿度传感器作为第3代湿度传感器的代表,以其测量范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好和使用方便等特点,得到了广泛的应用,但目前国内外生产的产品普遍存在着价格昂贵这一不利因素[3]。
本文根据谷物的介电常数随谷物湿度变化而改变的特性,采用湿度传感器的传统工艺,研制出了性能较为理想的廉价电容式湿度传感器。
2 湿度传感器的原理
随着湿度传感器技术的飞快发展,其测量的原理也得到了充分的完善。湿度传感器分为水分子亲和力型湿度传感器与非水分子亲力型湿度传感器。水分子亲和力型湿度传感器是利用水分子有较大的偶极矩、易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的湿度传感器。其测量原理是感湿材料在吸湿或脱湿过程改变其自身的性能,从而构成不同类型的湿度传感器。
非水分子亲和力型湿度传感器主要的测量原理为:利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度;利用微波在含水蒸汽的空气中传播,水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗,传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关,并以此来测定湿度;利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。
本文研制的谷物湿度传感器属于非水分子亲和力型湿度传感器,主要利用微波在穿过谷物时,谷物吸收微波导致一定的能量损耗及传输损耗的能量与谷物湿度有关的原理制成。
3 系统组成及其工作原理
3.1 谷物的介电特性分析
微波法操作简单,测量精度高,范围广,可以实现在线连续测量,在测量中不会受到物质的颜色和结构等因素的影响。同时,微波的穿透能力很强,能检测物质表层和内部的水分含量,因此微波穿透法测湿获得了广泛的应用[4]。考虑到谷物颗粒结构的不规则性以及测量的是其内部的水分含量,需要一种强穿透力的测量方法,因此微波测量方法是一种比较理想的选择。
把谷物放在室温为23℃的房间内,让其自然干燥(时间长短依每次测量所要求的湿度定)。每次电参量测量之后,用天平称其质量,精度为0.1mg。最后一次电测量之后,放在105℃的烘箱里烘烤16h,以确定其干燥质量(mD)。对于每次测量,都根据其相应的湿质量(mD+mW)和最终的干燥质量(mD)算出相应的湿度[5]。
利用实验室微波测试设备对谷物的介电特性进行分析,最后得出谷物介电常数以及损耗因子与谷物湿度之间的关系。
3.2 湿度传感器的感湿原理
湿度传感器采用的是平板电容器结构,在绝缘基片上用平面工艺分别形成上电极、介质层和下电极。介质层由谷物组成,其介电常数随其相对湿度呈线性关系,即
undefined
式中 εx—材料在不同相对湿度下的介电常数;
ε0—0%RH介电常数;
k—常数;
u—相对湿度;
Cx—元件在不同相对湿度时的电容量;
s—电容极板面积;
d—介质层厚度;
K—静电力常量。
对于一个固定的元件,可以设undefined,则Cx=k1+k2u。
由上式可以看出,Cx与u呈线性关系,从而由传感器电容量的大小即可决定环境中的相对湿度[6]。
3.3 信号转换系统
电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测谷物湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号,常用的方法有两种:一是将该电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流和直流放大,再A/D转换为数字信号;二是将该湿敏电容置于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,可直接被计算机所采集。本文采用第2种转换方法。
频率输出的555测量振荡电路如图1所示。集成定时器555芯片外接电阻R4,R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2和引脚6端相连,引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外,R1用于平衡温度系数,R3是防止输出短路的保护电阻。
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先,电源Vs通过R4和R2向C充电,经t充电后, Uc达到芯片内比较器的高触发电平,约为0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平;然后,通过R2放电,经t放电时间后,Uc下降到比较器的低触发电平,约为0.33Vs,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此循环下去形成方波输出。其充放电时间为
t充电=C(R4+R2)ln2
t放电=CR2ln2
因而,输出的方波频率为
F=1/(t充电+t放电)=1/[C(R4+2R2)ln2]
可见,空气湿度通过555测量振荡电路转变为与之呈反比的频率信号[7]。
3.4 信号处理系统
传感器的信号由AT89C51单片机进行采集。AT89C51单片机是一个低功耗和高性能的8位CMOS微处理芯片,片内含4k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128字节的随机存取数据存储器(RAM),40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双工串行通信口。AT89C51单片机可以按照常规方法编程,也可以在线编程。
最后是显示电路,系统发送的数据由AT89C51的串口送入寄存器74LS64,再经8位数据总线双向传送接受器74LS245驱动LED进行数据显示。该模块的功能是对所检测的湿度信号进行显示。
4 结束语
本文将电容式湿度传感器与AT89C51单片机相结合,经硬件电路和软件程序设计形成的自动控制系统能够实现对谷物湿度的实时测量,并根据湿度计算谷物含水量。该系统大大降低了成本,同时达到了一个较高的精度要求。试验证明,该控制系统稳定可靠,能够满足一般谷物湿度测量的要求。由于湿度传感器的测量受环境温度和谷物密度的影响,所以本系统具有一定的局限性。
摘要：通过比较市场上几种湿度传感器的优缺点,对谷物介电特性进行了分析,设计出一种谷物湿度传感器,并论述了谷物湿度测量系统的组成及工作原理。实践证明,该谷物湿度测量系统具有成本低、测量精度高和使用方便等特点,有一定的应用价值。
关键词：湿度传感器,谷物,介电特性
参考文献
[1]高美珍.基于PLC16单片机和HM1500的湿度测量[J].电子工程师,2004,30(10):22.23.
[2]王亚峰,杨清风.电阻式湿度传感器制作工艺的革新[J].计量技术,2007(7):77.78.
[3]秦永和.湿度传感器测试系统[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.
[4]杨苹,严珩铭,于文益.基于微波谐振器的谷物湿度检测系统[J].机械工程学报,2007,43(1):229.
[5]尤田束,王春山,叶红.测量谷物颗粒湿度的微波谐振腔法初步研究[J].农业工程学报,1994,10(2):92.93.
[6]卢崇考,周明军.电容式高分子湿敏材料感湿机理探讨及选择方法[C]//东北传感技术研究所第七届学术年会论文集.哈尔滨:东北传感技术研究所科学技术委员会,1996.
温湿度测量系统 篇4
关键词：在线监测,温湿度传感器,串口网络服务器
环境温湿度是影响绝缘参数的重要外部因素, 通过对环境温度、湿度等常规气候参数的监测, 结合设备的绝缘在线监测数据进行综合分析, 有助于提高在线监测数据诊断结果的可靠性。因此变电站绝缘在线监测系统集成了一套数字式温湿测量系统。
1 温湿度测量系统功能结构
分布式变电站绝缘在线监测系统。该系统3部分组成:本地监测单元、变电站通信控制单元和后台绝缘诊断系统。其温湿度测量终端安装在主要电力设备附近, 通过以太网络连接, 当进行监测时自动测量环境温湿度通过以太网上传到后台监控工控机。该终端由智能传感器SHT11和AT89C2051单片机组成, 测量数据通过RS232数据线发送到MOXA网络串口服务器 (NPort5610) , 该串口服务器通过以太网和工控机通信。结构如图1所示。
1.1 温湿度传感器
温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司生产的SHT11型数字温湿度传感器, 该传感器是具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器, 可用来测量相对湿度、温度和露点等参数, 具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点。SHT11湿度/温度传感器系统测量相对湿度的范围是0~100%, 分辨力达0.03%RH, 最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃~+123.8℃, 分辨力为0.1℃。测量露点的精度<±1℃。利用降低分辨力的方法, 可以提高测量速率, 减小芯片的功耗。
1.2 AT89C2051单片机
At89c2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机, 片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器 (P EROM) 和128bytes的随机数据存储器 (RAM) , 兼容标准MCS-51指令系统, 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。该单片机有20只引脚, 体型小巧非常适合在外设不多的情况下使用。本测量系统只扩展了一个数字式传感器和MAX232芯片, 所以采用此型号单片机。
1.3 NPort5610串口服务器
MOXANport5610机架式串口设备联网服务器, 不但可以保证现有的硬件资源, 更确保网络的扩充可能性。通过简单的设置, 就可以将现有的串口设备立即联网。同时可以在串口和以太网络界面之间轻易的执行双向数据传输。可以达到同时集中管理串口设备, 和于网络中分散管理主机的目的。变电站绝缘在线监测系统中各个本地监测终端都通过此串口网络服务器连接在以太网上与后台监控工控机通信, 充分利用了以太网的高速稳定特点。
2 温湿度测量系统电路设计
由于AT89C2051不具备I2C总线接口, 故使用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线, 并利用P1.0来虚拟双线数据线DATA, 利用P1.1来虚拟时钟线SCK。在DATA端接入一只4.7kΩ的上拉电阻, 同时在VDD及GND端接入一只0.1μF的退耦电容。传感器通过双线串行接口和下位机的单片机I/O口直接相连, 无需A/D转换, 和传统的测量系统相比, 大大简化了传感器和单片机之间的接口, 如图2所示。
3 温湿度测量系统程序设计
3.1 单片机测量程序设计
本系统中采用了KeilC51作为开发环境, 使用c语言完成了测量计算温湿度的功能, 同时随时应答上位机的控制命令。由于采用二线串行接口SCK和DATA (其中SCK为时钟线, DATA为数据线) , 故对SHT11的操作应严格按照时序, 共有5条用户命令, 分别是测量温度命令 (03H) 、测量湿度命令 (05H) 、读寄存器状态命令 (07H) 、写寄存器状态命令 (06H) 和软启动命令 (1EH) 。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态并仅在SCK时钟上升沿有效。SHT11上电后进入休眠模式, 首先应发送一个“启动”时序, 唤醒芯片, 即在SCK为高时使DATA由高电平变为低电平, 并在下一个SCK为高时将DATA升高。微控器发出测量命令后就等待测量完成, 为表明测量完成, SHT11将数据线拉成低电平。微控器重新启动SCK, SHT11就传送两个字节的测量数据与一个字节的CRC数据, 传输数据的顺序是从最高位 (MSB) 到最低位 (LSB) 。SHT11在测量和通信完成后会自动返回休眠模式。
3.2 监控工控机程序设计
监控工控机通过以太网经NPort5610串口服务器与测量终端的RS232接口连接。工控机上安装了串口服务器的驱动程序后, 可以把NPort5610串口服务器上的串口虚拟成工控机的串口, 即利用通讯程序改变访问的串口号即可与测量终端通信。上位机采用DELPHI2005开发环境调用MOXA公司提供的串口I/O函数库Pcomm函数库来控制温湿度测量终端。Pcomm库封装了基本的MicrosoftWin32API串口操作函数, 用户可利用其直接对串口操作, 极大地提高了开发速度。
4 结语
本文介绍的变电站绝缘在线监测系统中的温湿度测量系统, 充分利用了绝缘在线监测系统已有的以太网通信线路, 对绝缘在线监测功能进行了扩充, 其温湿度测量具有运行可靠、扩充方便等优点。网络串口服务器组成了简单的网络, 符合传感器智能化、和网络化的发展趋势。实际运行表明, 数据传输可靠, 测量结果准确, 满足了变电站绝缘在线监测系统对环境温湿度监测的要求。
参考文献
[1]曾欢, 刘毅.嵌入式WiFi技术在温室环境监测系统中的应用[J].林业机械与木工设备, 2008 (2) .
温湿度测量系统 篇5
温度和湿度是工业生产和日常生活中涉及到最多的物理量, 温湿度测量应用领域广泛, 精度要求日益提高。目前通过对大空间范围内的多点测量来实现温湿度控制的需求日益突出。基于此本文开发了电池供电的多通道无线温湿度测量终端[1]。电池供电的多通道无线温湿度测量终端具有体积小便于携带和不需要供电电源的优点, 并且各个测量终端和开发的无线基站装置之间可组成无线传感器网络, 实现大范围的温湿度测量。
1 系统总体设计方案
该系统采用低功耗处理器MSP430F2618作为测量终端的控制核心, 结合支持2.4GHz IEEE802.15.4、Zig Bee和RF4CE应用的片上系统芯片CC2530作为硬件平台, 采用OSAL多任务资源分配机制实现软件编程, 支持图形化的人机交互界面, 可设置传感器参数和各通道工作模式, 测量数据通过Zig Bee无线传感网络发送给无线基站装置, 并保存于终端SD卡数据文件中[2]。电池供电的便携式设计使得该系统对于没有基础设施的临时应用场合也有很强的适应能力, 而软硬件相结合的低功耗控制策略保证了系统长时间工作能力。系统组成框图如图1所示。
2 硬件设计
硬件主要包括MSP430F2618微处理器子系统、A/D转换控制电路、基于CC2530的无线传感器网络电路、SD卡接口电路、人机接口电路、电源管理等单元模块。
(1) A/D转换控制电路
湿度测量采用湿度传感器HC2, 传感器的输出为0~1V的电压信号;温度测量使用铂电阻传感器。
传统测量电路采用将铂电阻传感器以串联方式接入测量回路的多通道测量方法[3], 此方法存在两点不足, 首先, 串联的铂电阻传感器的数目受恒流源的负载能力限制;其次, 系统的可靠性差, 串联的铂电阻传感器中如果有一路故障, 将会导致其余测量通道无法正常工作。本文通过模拟开关将各通道铂电阻以并联形式接入到测量回路中, 即使某个传感器损坏也不会影响其余通道测量, 增强了系统可靠性, 同时避免铂电阻自热问题。A/D转换控制电路如图2所示。A/D转换器使用分辨率为16比特的AD7715, 它与MSP430F2618微处理器之间采用SPI接口通信。系统中12路测量通道复用一个ADC, 通过I/O口控制模拟开关TS3A5017和多路选择器ADG707选择需要测量的通道。双运放ADA4051及外围电路构成1m A的恒流源, R1、R2为0.01%精度的标准电阻, RT1~RT8为铂电阻传感器, RH1~RH3为湿度传感器, 湿度传感器输出电压信号直接接入ADG707多路选择器。
通道测量时, 首先采集标准电阻R1和R2上的电压, 然后采集测量通道铂电阻传感器上的电压。铂电阻阻值可按式 (1) 计算:
式 (1) 中, D1和D2分别为标准电阻R1和R2上的电压, DT1为铂电阻传感器上的电压。从式 (1) 可以看出, 电路能够很好得消除测量回路自身的误差和漂移, 无需复杂校准过程。
(2) 无线传感网络电路
无线传感网络模块实现网络接入、数据传递、路由维护等功能, 使系统具备在无法使用有线通信场合的适应能力。无线传感网络模块采用CC2530高度集成片上系统芯片, 支持IEEE802.15.4、Zig Bee、Zig Be PRO和Zig Bee RF4CE标准, 同时配备TI标准网络协议栈[4], 硬件具有超低功耗、高灵敏度、强大抗干扰能力, 是工业测控应用理想解决方案。CC2530采用SP接口与MSP430F2618通信, 电路如图3所示。
(3) SD卡接口电路
为满足大量测量数据的存储需求, 系统采用SD卡保存每个测量通道的数据, 通道的数据采用数据文件形式存储。SD卡内部除了大量非易失存储单元, 还集成了接口控制器、寄存器以及MCI/SPI两种接口。MSP430F2618没有MCI接口, 故采用SPI接口, 并使用一个IO口作为CS控制信号。SD卡上电后默认为SD模式, MSP430F2618在对SD卡复位期间必须保持CS信号为低, 即进入SPI模式。
(4) 人机接口电路
显示采用拓普微公司LM2068图形点阵液晶显示模块, 分辨率320×240像素。液晶显示模块与MSP430F2618采用并口连接方式, 并通过I/O口控制显示模块的背光和电源。系统集成了4个按键的小键盘, 分别用于开/关机、启动测量、液晶显示内容的上翻页和下翻页。
(5) 电源管理电路
电源管理电路的功能是监测锂电池的剩余电量、锂电池的充电管理, 以及为系统提供3.3V的工作电源。电池剩余电量监测使用BQ27501芯片, 它采用阻抗追踪技术 (Impedance Track) , 监测锂电池电量, 它与微处理器之间通过I2C总线互连。锂电池的充电管理使用了BQ24070芯片, 它是一款高效的电源路径管理芯片, 当外部接入5V直流电源时, 5V直流电源在提供系统电源的同时还对电池进行充电;移去5V直流电源, 锂电池自动为系统运行提供电源。系统采用BAK4600m AH的锂电池组, 锂电池的输出经TPS63031后为系统提供工作电源。TPS63031是一款DC-DC电源转换芯片, 在输入电压高于3.3V时, 其工作在降压模式;当输入电压 (电池电压) 低于3.3V时, 其工作在升压模式, 可增加系统的持续工作能力。电源管理电路如图4所示。
3 软件设计
终端软件实现系统所有测量功能, 主要包括硬件处理、网络通信、传感器通道测量、数据存储、界面显示、低功耗等任务。软件设计主要包括各功能模块底层驱动开发和系统应用程序开发。
底层驱动程序开发主要包括系统硬件驱动、传感器通道测量驱动、网络任务驱动、SD卡文件系统驱动及液晶显示界面驱动。硬件任务用于管理系统所有硬件资源、响应外部中断处理、实现各模块间数据传输等功能。传感器通道测量任务是温湿度计算的核心, 软件根据参数文件配置各传感器通道工作模式, 判别启动/结束条件, 控制A/D采样并计算温湿度。铂电阻计算温度过程, 引入最小二乘法进行非线性温度补偿, 可以将温度测量精度提高到±0.1℃。网络通信任务驱动实现网络建立、路由维护、数据传输等功能, 引入最小均方算法 (LMA) [5]实现网络低功耗设计。数据存数任务采用SD卡的FAT16文件系统实现大量测量数据存储。液晶显示任务实现了友好人机交互界面。
操作系统抽象层 (OSAL) 是一种多任务的调度机制, 各任务根据系统功能内聚性及时间紧迫程度按优先级由高到低划分, 各任务之间可传递消息并进行相应事件的处理。系统启动后, 首先初始化各硬件模块及无线网络, 导入参数文件并进行传感器自检, 然后系统启动任务调度器, 各模块任务轮询执行。终端软件流程如图5所示。
3.1 铂电阻非线性补偿算法
铂电阻自身的非线性和器件的离散性使得必须对每个铂电阻进行温度补偿, 才能获得高精度测量数据。
铂电阻的R-T特性表述为:
R0和Rt分别是0℃和t℃时铂电阻的阻值。使用查表法或牛顿迭代法, 虽然可以取得较高测量精度, 但会产生较大的系统开销[6]。在实际测量和校准时, 根据测量的电阻值计算温度, 可以用上式的反函数来求解。铂电阻的T-R特性可以表述为:
在更换铂电阻传感器时, 需要对铂电阻传感器进行校准, 采用最小二乘法拟合铂电阻T-R特性曲线[7,8], 可以确定式 (3) 的一组系数和阶数, 使用式 (3) 计算温度。
拟合阶数和分段策略对最终测量结果起到至关重要的影响。从总体趋势来看, 拟合阶数越高测量精度越高, 但纯粹增加拟合阶数对精度提升效果有限, 而且计算量较大。鉴于铂电阻随温度升高非线性越明显, 对固定温度间隔校准, 测量精度将会下降。在不提高拟合阶数的情况下, 高温区域采用缩小间隔的非均匀分段方法保证了铂电阻在整个测温范围内精度不受影响。
3.2 功耗控制
为增加系统的持续工作时间, 有必要对系统功耗进行控制。通过对系统的功耗进行测量和分析, 系统的功耗主要来自:液晶显示模块、无线传感网络模块、微处理器模块和传感器模块。其中液晶显示模块、无线传感网络模块和传感器模块是系统中功耗最大的部件, 是功耗控制的主要目标。系统软件采用事件驱动的方法实现低功耗机制, 在CPU空闲的工作周期进入睡眠状态, 并有中断事件唤醒系统, 从而降低微处理器模块的功耗。对于液晶显示模块和传感器模块, 通过在不工作时关闭电源的方法降低功耗。
无线传感网络是系统中一个重要的功耗来源。本系统的Zig Bee网络采用网状结构, 网络中除无线基站为协调器之外, 其余各个节点均为路由器节点, 因此本文采用LMA算法, 通过动态调节节点的发射功率, 在保证网络拓扑结构连通的基础上, 降低无线模块的功耗。假设NodeMin表示网络允许的最小邻居节点数。算法实现流程如下:
Step1:网络中的每个节点采用相同的发射功率定时100ms广播一个包含自己ID的MSG消息。
Step2:如果节点接收到MSG消息, 发送一个应答消息ACK_MSG, 应答消息中包含所本节点ID。
Step3:等待一段时间后, 每个节点检查收到的ACK_MSG消息, 统计自己的邻居数目。
Step4:如果节点的邻居数目大于NodeMin, 则需要降低发射功率, 节点在下一轮发送时采用降低1个等级的发射功率发送, 如果节点的邻居数目小于NodeMin, 则需要增加发射功率, 节点在下一轮发送时采用提高1个等级的发射功率发送;如果节点的邻居数目等于NodeMin, 节点在下一轮时发送发射功率不变, 并标记该节点的发射功率已确定, 不再广播MSG消息。
Step5:在一轮发送结束后, 如果节点的邻居数目小于NodeMin, 而节点此前采用的是降低1个等级的发射功率发送的, 则节点的发射功率提高1个等级, 并标记该节点的发射功率已确定不再广播MSG消息。网络中所有节点确定发射功率之后, 系统自动结束发射功率动态调节过程。
4 系统测试
在实际测量中, 综合考虑选择拟合阶数p=5, 非均匀分段的分段数为7。通过校准确定公式 (3) 中的系数后进行温度测量。将铂电阻置于恒温槽内, 在0℃~300℃范围测量, 数据如表1所示。使用湿度检定箱进行湿度测量, 数据如表2所示。系统功耗测试显示, 采用软硬件结合的低功耗控制策略能够降低50%功耗, 运行时间达到72小时。
5 结束语
本文设计了一种电池供电的多通道温湿度测量终端, 系统结合嵌入式技术和无线传感网络技术, 通过组建无线传感器网络, 实现各测量终端和基站间数据交互, 达到大空间范围多点温湿度测量的目的。电池供电的设计和低功耗控制策略, 使得该系统具有携带方便, 系统续航能力强的特点。软件实现了多任务调度, 并开发了友好的交互界面。针对铂电阻的非线性, 采取非均匀分段拟合的策略, 既提高了测量精度又简化了温度补偿计算, 适合于高精度温度测量系统。目前, 该系统已经成功应用于苏州计量测试研究所的无线温湿度验证系统, 也可广泛应用于其他温湿度测量领域。
摘要：为适应大空间范围内温湿度实时采集与控制需求, 基于嵌入式技术和无线传感网络技术设计了多通道温湿度测量系统。采用低功耗控制技术, 在低功耗处理器MSP430F2618、CC2530和外围硬件电路构成的硬件平台上, 利用操作系统抽象层 (OSAL) 多任务资源分配机制, 开发了具有友好人机交互界面和多种工作模式的应用软件。系统提供9路铂电阻传感器和3路温湿度传感器, 经实际测试, 温度测量精度优于±0.1℃, 湿度测量精度优于±1.5%, 在1分钟测量1次的情况下可持续工作72小时。
关键词：多通道,无线传感网技术,嵌入式技术,低功耗,MSP430F2618
参考文献
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温湿度测量系统 篇6
随着物联网的发展, 传感器技术应用领域越来越广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。为了提高对温湿度传感器的深入研究, 基于物联网技术设计了本装置。
1系统原理及组成框图
本装置主要由USB接口转换器、STM32F103单片机、Si7005温湿度传感器几部分组成。它的USB接口可以方便地和上位机或其他物联网系统相连接组成物联网的组件。如图1所示。
2单片机的选型和电路设计
单片机是本装置的核心部件, 一方面它要和温湿度传感器进行通信, 获取实时的温湿度数据, 另一方面它还要通过串口和CP2102进行通信, 将数据传输到上位机或物联网系统。我们选用的STM32F103单片机是一款专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核单片机, 具有性能高、外设丰富、超强抗干扰等优点, 是目前同类技术中性价比较高的产品。其电路设计如图2。
3 USB接口电路设计
USB接口芯片我们选用CP2102, 其集成度高, 内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线 (UART) , 支持调制解调器全功能信号, 无需任何外部的USB器件。内含时钟电路, 无需外接电路器, 内含上电复位电路, 片内电压调节可输出3.3V电压。其电路设计如图3。
4温湿度传感器及其电路设计
温湿度传感器我们采用美国SILABS的Si7005, 它是一个将湿度和温度传感器元件、一个模拟-数字转换器和信号处理功能集成到单片集成的CMOS传感器IC。温度传感器和湿度传感器都经过工厂校准并且校准数据存储在片上非易失性存储器中。精度高、性能稳定、采用I2C通信接口, 宽工作电压范围 (2.1-3.6V) 。其电路设计如图4。
5软件设计
本装置只要接入USB端口, 安装好驱动, 就可以通过USB接口将测量的数据进行上传。程序的整体流程图如图5所示。
6结束语
文章在对温湿度技术进行深入研究的基础上, 全面比较国内外同类产品的技术特点, 合理地确定系统的设计方案。它可以方便的接入到物联网中, 具有广阔的市场空间与发展前景。在文章研制的温湿度测量装置的基础上, 可以再做适当的功能扩展, 使其功能更加完善, 如历史温湿度记录, 温湿度报警等。
摘要：文章利用ST公司的STM32F103单片机结合美国SILABS的Si7005温湿度传感器技术而开发设计了本装置。其中选用的Si7005的优势在于低功耗、尺寸小、测量精度高、抗干扰能力强等优点, 而且价格低廉, 使用寿命长。选用的STM32单片机是一款专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核单片机, 具有性能高、外设丰富、超强抗干扰等优点, 是目前同类技术中性价比较高的产品。本装置还可以通过USB接口与上位机进行通信, 是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的温湿度测量装置, 具有一定的实用价值。
关键词：温湿度,STM32,USB,传感器,Si7005,CP2102
参考文献
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[2]彭军.传感器与检测技术[M].西安电子科技大学出版社, 2003:263-315.
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多传感器的高精度湿度测量仪 篇7
空气湿度与人类密切相关,人们的日常生活、生产活动以及动植物的生产和生存都与周围环境的湿度息息相关。相对于其他环境参数,湿度是最难准确测量的要素之一。温度是独立的被测量,而湿度却要受其他因素(大气压强或温度)的影响。传统的湿度测量大多采用有线测控系统,降低系统的灵活性、可维护性与可扩展性[1]。
无线自组传感器网络集传感器技术和网络通讯技术于一身,涉及信息采集、处理和传输等技术,在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面都潜在巨大的应用价值[2]。为此,利用多传感器融合实现高精度智能湿度传感器的研制,并利用ZigBee协议栈的无线传输方式构建无线传感网络,使高精度湿度传感器成为气象观测系统的一个有效节点。
1 硬件设计
1.1 设计方案
湿度采集系统主要通过多个不同类型的湿度传感器来采集湿度信息。数字输出的智能湿度传感器、电压输出湿度传感器以及电容输出湿度传感器各自构建湿度测量电路,并连接到单片机进行湿度信息的处理和传输。单片机选用兼容IEEE802.15.4的低功耗低成本的JN5121。JN5121模块将采集到的多个湿度信息进行处理和融合后得到高精度的湿度测量值,然后通过ZigBee来建立一个无线自组织传感网络。系统硬件结构图如图1所示。
1.2 传感器模块设计
1.2.1 SHT75数字输出传感器
SHT75是一款集成的温湿度传感器芯片,提供全量程标定的数字输出。相对湿度的测量范围为0～100%,分辨力达0.03%RH,精度为±1.8%RH,迟滞为±1%RH,长期稳定<0.5%RH/YR。温度的测量范围为-40～+123.8℃,分辨力为±0.3k。其测量原理为:首先,利用两只传感器分别产生相对湿度和温度的信号;然后,经过放大分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错;最后,通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。
SHT75是4引脚单排直插型芯片,通过二线串行接口电路与微控制器连接。其中,串行时钟输入引脚SCK与JN5121芯片中DIO14口(SIF_CLK)相连。串行数据引脚DATA是三态门结构,与JN5121的DIO15口(SIF_D)相连;DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。因此,微控制器可以在SCK高电平时读取数据,而当其向SHT75发送数据时,则必须保证DATA线上的电平状态在SCK高电平段稳定。为了避免信号冲突,微控制器仅驱动DATA在低电平,在需要输出高电平的时候,微控制器将引脚置为高阻态,并由外部上拉电阻将信号拉至高电平。
1.2.2 HIH4000-003电压输出传感器
HIH4000-003电压输出传感器是一款与相对湿度成线性电压输出的湿度传感器。200μA的工作电流使得该传感器适宜于电池供电系统。相对湿度的测量范围是0～100%,测量的精度为±3.5%RH,迟滞为±3%,稳定性为±0.2%RH/YR,使用的温度范围为-40～+85℃。
HIH4000-003是3引脚单排直插型封装,此传感器输出为电压信号,需要将信号进行模数转换才能连接到微控制器,输出信号连接到高精度模数转换器ADS1218的AIN0口。
传感器需要通过温度补偿和非线性补偿来提高精度。温度测量来自于SHT75,通过读取存贮的零点和线性度校正系数后,利用软件来实现补偿和非线性校准。具体电路如图2所示。
补偿部分为温度补偿,其公式为
TrueRH=SensorRH/(1.030 5+0.000 044T-0.000 001 1T2)
式中,T的单位为℃。
1.2.3 HTS2030SMD电容输出传感器
HTS2030SMD基于电容测量湿度和NTC电阻来测量温度。测量相对湿度范围是1%～99%,10V电压供电。迟滞为±1%,稳定性为±0.5%RH/YR,使用的温度范围为-60～140℃。
采用典型的TLC555时,基电容测量电路如图3所示。传感器与U12的2和6脚相连接。电路通电时,U13通过R14,R15和R16充电;此时,U12第3脚输出高电平;当U13端电位上升至触发电平时,U12第7脚与地短路,U13通过R14和R15放电至截至电平;此时,U12的第3脚输出低电平。充电时间t1为
undefined
放电时间t2为
t2=(R14+R15)Cln2
式中,k为TLC555第5脚电位与电源VCC5V的比值。该值可由连接至TLC555第5脚的电位器R17调节,主要用于TLC555电路内部设计不平衡的补偿,不同品牌的555电路补偿有所不同,仅调节R17的值即可以实现匹配。
相对湿度发生改变时,传感器的电容量也发生变化,由TLC555的第3脚输出频率与相对湿度相对应的方波信号,JN5121的DIO9口(TIM0_CAP)测量输出信号的周期便可知环境的相对湿度。电路输出频率为
由于U13充放电回路的电阻值不同,为求得50%的输出占空比,一般取R15远大于R16。此时,输出频率可简化为
undefined
也可简化为
undefined
补偿部分:在不同的湿度情况下,电容量会有所不同,如表1所示。可以通过以下公式进行修正,即
C(PF)=C@55%×(3.903×10-8×RH3-
8.294×10-6×RH2+2.188×10-3×RH+0.898)
同样也可以选用HC4060来构建LC振荡电路,电路的构成较简单,输出频率为:f=1/2.2RXCX(CX为电容湿度传感器,RX为选择的电阻)。
1.3 MCU模块
该湿度仪采用无线传感网络来实现主机与传感器的通信。基于低功耗低成本的考虑,采用了JN5121的ZigBee无线传感器网络。ZigBee基于IEEE 802.15.4无线标准。802.15.4标准定义了MAC层和PHY层的协议标准,而ZigBee协议栈则定义了网络层、应用层和安全服务层的标准,是一种短距离、低功耗且价格便宜的无线通信技术。
JN5121模块是兼容IEEE802.15.4的低功耗和低成本的微处理器芯片。它集成了32位RISC核心以及完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4的收发器、64kB ROM和96kB RAM,为无线传感器网络提供了低成本的解决方案。JN5121使用硬件MAC和高度安全的AES加密,同时也提供了丰富的开关量和模拟量接口作其他应用。
在此湿度测量仪系统中,JN5121处理来自HIH4000的湿度信号、温度传感器的信号、555振荡电路输出的频率和SH75输出的数字湿度信号,并且保存数据。将3个湿度传感器采集到的湿度信息进行处理,得出最优值,最后通过无线网络与主节点进行数据通信。
1.4 其他模块
1.4.1 电源模块
电源模块利用LM1117-3.3为微控制器和MAX3232供电,LM1117-5.0为SHT75,HIH40000, ADS1218和TLC555供电,LM169-10为HTS2030SMD供电。
1.4.2 输入电路
湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号,送入微控制器的定时/计数器T1。
1.4.3 RS-232接口
与上位机通信,如向上位机(主机)发送测量到的数据,接收上位机发来的控制指令,进行参数设置及校准操作。与上位机的通讯指令采用不定长的ASC代码指令,用不同的信令头(SOT)代表不同的控制,并有CRC纠错以保证数据正确传输,信令有统一的结束码(EOT)。
1.4.4 LCD显示
显示屏采用液晶显示器,以降低系统功耗,用于显示湿度的测量值。为了节省微控制器的I/O口资源,采用4位数据线形式。
2 传感器模块软件设计
2.1 SHT75数字输出传感器
向SHT75写数据:在SHT75测量之前,JN5121必须先对其发送对应地址,然后发送命令时序,即向SHT75写入8个数据位,并在第9个SCK周期读取SHT75返回的确认位(0为正确接收,1为接收失败)。根据SHT75二线制工作方式,JN5121应该先输出低电平来触发SHT75,然后输出一位命令数据,再给出SCK高电平触发SHT75锁存数据。当然,JN5121输出的SCL周期必须满足SHT75数据建立和保持最少时间(110ns)的要求。当发送完命令读取SHT75数据线上的返回位,以作为是否重新发送的依据。
读取SHT75测量数据:JN5121先置时钟线为低电平,使SHT75内的锁存器输出数据,并延时一段时间(大于数据稳定输出时间250ns),等待数据稳定,然后再读取数据。以此类推,直到接收完一字节数据为止,且要在第9个时钟给出应答位。
2.2 HIH4000-003电压输出传感器
HIH4000的输出电压通过ADS1218来进行模数转换。信号采集通道不同,可以通过ADS1218的通道参数设定来区分(Multiplexer Control Register的前4位用来选择通道的正极输入,后4位用来选择通道的负极输入)。为了提高数据采集的精度和减少整个测量所需的时间,在1s时间内等间隔采集5次,分别将这5次采集信号送入A/D转换的模拟通道进行转换,从而得到了这些数据所对应的数字量,并将它们存放在一个连续的存储单元中。为了避免外界干扰对数据测量的影响,系统需要对5次转换的结果进行比较,去掉1个最大值和1个最小值,最后对剩下的3个测量结果进行加权求平均,所得的结果作为最终的转换数据保存在存储单元中。在数据采集完全后,读入温度和湿度值,并通过温度补偿和非线性补偿得到校正后的湿度值。流程图如图4所示。
2.3 HTS2030SMD电容输出传感器
频率的测量有很多种方法,这里选用等精度数字测频法。JN5121具有两个16位的定时器/计数器T1和T0,单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关,与被测信号的跳变沿同步,利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序。在t0时刻,系统开始进行初始化,T1和T0分别设置为计数器和定时器来对输入信号与时标信号进行计数,它们的初始值均为0。时标信号的频率在单片机内固定为fc=fosc/12。式中,fosc为单片机的时钟频率。利用外部中断INT1来控制中断,可设置为边沿触发,开放INT1和T0的中断允许。在t1时刻,输入信号的跳变沿产生第1次INT1中断,开放T1和T0的计数闸门,并关闭自身的中断允许。当T0计数满溢出时,可在t2时刻产生T0中断,记录自身的中断次数n,再次开放INT1的中断允许。T0溢出后,将从0开始继续计数,直到t3时刻由输入信号产生第2次INT1中断,然后关闭T1和T0以完成一次测量过程。T1中的计数值代表了输入信号完整的N1个周期。设T0中剩余读数为N2’,则被测信号的频率计算式为fx=N1/[12(65 536n+N2’)/fosc]。
3 结束语
该湿度测量仪由于采用了高性能的JN5121为核心硬件系统,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比。选用3款不同形式输出的湿度传感器,将采集到的信号进行融合处理,提高了测量精度。选用ZigBee技术来实现无线传感网络,提高了系统的灵活性。
摘要：介绍了一种湿度测量仪的设计方案,给出了硬件设计的总体框图;详细阐述了3款湿度传感器的信号采集电路;介绍了显示电路、电源模块、通讯接口以及湿度信号采集电路的软件设计。电路设计以高性能的JN5121为核心,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比,并利用低功耗、低价格及性能稳定的ZigBee技术构成了无线传感器网络。
关键词：湿度测量仪,ADS1218,JENNIC5121
参考文献
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