温湿测控（精选4篇）
温湿测控 篇1
温湿度为一种基本的环境参数, 与我们的生活有着密切的联系。在工业生产过程当中, 应当实时根据需要进行温湿度的测控。于农业生产过程当中, 作物生长最为重要的环境条件, 它对作物根系的发育与土壤的微生物活动有着直接的影响, 并且是土壤水分运动的诱因。我们在农业生产过程当中, 对温湿度的测控显得至关重要。因此对土壤温湿度测控的系统设计有着极大的意义。
一、土壤温湿度测控的系统设计方案
土壤温湿度测控系统设计的关键是温湿度传感器。所谓传感器指的是可以感受到所规定的被测控, 同时能够按照一定的规律将其转换成相应信息信号的装置。该系统设计方案中, 运用集成数字温湿度传感器来收集所测控环境的温湿度, 收集完毕后将其传输至单片机进行相关的数据分析。随着微型计算机和通讯技术的快速发展, 传感器和微处理器以及微型计算机三者完美结合而产生智能化传感器, 使得传感器的测控功能大大提高。智能传感器借助于半导体技术把传感器和信号调节电路、接口电路以及微处理器同时接在一块芯片上, 从而构成了较大规模且功能测控齐全的集成电路智能传感器。
二、土壤温湿度测控的硬件系统设计
1、单片机的硬件系统设计
随着人类社会逐步进入了信息化时代, 微型计算机的应用已经涉及到社会活动的各个领域, 单片机技术的应用, 是计算机技术的重要分支。土壤温湿度测控一般采用80C51单片机。 (1) 单片机的基本结构。单片机是单片微型计算机的简称, 它能够把中央处理器CPU、随机取存器RAW以及只读存储器ROM等集成在同一块芯片中, 组成一个相对完整的微型计算机。具有品牌齐全、兼容性较强、软硬件资源丰富和性价比高等优点, 符合我国国情对土壤温湿度的测控。单片机的硬件, 其内部数据可以采用8位地址的存储器、其信息寻找范围能够扩大到256个字节、总共有4个8位能够和I/O接口并行用于对信息地址与数据的输送、其中断系统能够设置成二级的中断优先级, 能够同时接受5个中断源的中断信息请求。 (2) 单片机的工作时序。80C51单片机的时钟周期是其振动器产生时钟脉冲频率的倒数, 也是温湿度测控系统最基本的定时信号;80C51单片机的状态周期为时钟脉冲二分频过后的脉冲信号, 其状态周期为时钟周期的两倍;80C51单片机工作时的基本定时单位为其机器周期, 一个单片机包含了6个状态周期和12个时钟周期。倘若时钟频率为12MHz的时候, 其机器周期是1u S, 而它的时钟频率是6MHz的时候, 其机器周期是2u S;
2、传感器的硬件系统设计
人类的社会活动和温湿度紧密联系, 由于领域的不同, 所以温湿度感应器的技术要求也各有差异。土壤温湿度测控宜用SHT11传感器。其可将温度和湿度感测以及信号转换等集成一个芯片, 具有高度集成优点;同时它具有信号传输可靠性强、测控精准度高、可编程调节等优点。
3、土壤温湿度测控的程序设计语言选用
单片机的开放以及应用当中, 高级语言的运用必不可少, 而C语言是较为适合的高级语言程序。C语言拥有良好的模块化, 具有容易阅读以及维护等优点。使用C语言作为程序设计语言对单片机有着以下几个优点:指定操作的变量选择组合对程序的可读性有着极大的提高;能够更贴切操作者的思维, 易于操作;有着能极好的可移植性, 且适用于较大范围的目标系统等。
4、土壤温湿度测控的软件系统设计
土壤温湿度测控除了必要的硬件设施外, 同时也离不开其软件系统的设施。由于Keil C51单片机软件有运用简便、精确性、使用C语言程序等优点, 因此土壤温湿度测控的软件系统选择Keil C51软件系统。 (1) Keil C51的项目管理。其工程由源文件、开发工具选项和编程说明三部分组合而成。 (2) Keil C51的集成功能。其集成功能包括以下几个作用:集成资源浏览器可以利用符号数据库使得操作者能够迅速地查阅文件;具有文件的寻找功能;能够协调用户的CPU以及其外部程序等。 (3) 软件设计程序流程图。土壤温湿度测控的软件设计程序图如图一所示:
结语
土壤温湿度对于工农业以及我们的社会活动有着极大的联系, 因此对土壤温湿度测控系统设计该课题的探究有着重大的意义。其设计的基本要求为降低其成本的同时保证其测控的进准度。围绕该基本原则, 从土壤温湿度测控的硬件系统设计和软件系统设计两个方面出发进行了详细的说明。使得该系统设计有利于土壤的温湿度测控、有利于我们生活水准的提高。
参考文献
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温湿测控 篇2
1系统硬件设计
系统控制芯片选用SPCE061A[1],内部结构如图1所示。该芯片是凌阳公司推出的一款高性价比的16位单片机,其主要特性是:工作电压:内核工作电压VDD为3.0～3.6 V(CPU),I/O口工作电压VDDH为VDD～5.5 V(I/O);CPU时钟:0.32～49.152 MHz;内置2 k字SRAM和32 k闪存ROM;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电小于2 μA@3.6V;具备触键唤醒的功能;32位通用可编程输入/输出端口;2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);7通道10位电压模/数转换器(ADC)和单通道声音模/数转换器;2个10位DAC(数/模转换)输出通道;14个中断源可来自定时器A / B,时基,2个外部时钟源输入、键唤醒;具备串行设备接口;低电压复位(LVR)和低电压监测(LVD)功能;内置在线仿真(In Circuit Emulation,ICE)。 另外16位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中,支持标准C语言,可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用。
图2为温度、湿度测控系统硬件原理示意框图。下面主要介绍温度和湿度测量电路。
1.1 温度测量电路设计
温度检测电路选用Dalls公司生产的DS18B20 [2]。DS18B20是“一线总线”数字化温度传感器,测量温度范围为-55～125 ℃,在-10～+85 ℃范围内,精度为±0.5 ℃。该器件只有3个引脚(即电源VDD、地线GND、数据线DQ),不需要外部元件,一条数据线进行通信。考虑到湿度传感器的工作条件-40～+85 ℃,设计系统检测温度范围设计为-10～+85 ℃,精度为0.5 ℃,已经能够满足绝大多数工作环境的要求;用9 b数字量来表示温度;每次将温度转换成数字量需200 ms。在单总线工作方式下,允许1条信号线上挂接多个DS18B20,DS18B20都有惟一的ROM代码(64位产品序列号)。在多点温度测控系统中,ROM代码是识别和操作DS18B20的基础;无论读取还是选择对某一个传感器进行操作,主机必须发送64位ROM代码。图3为温度测量和控制电路示意图。
在实际系统中,每个任务都是无限循环的,分别实现某一特定的功能,由μC/OS-Ⅱ内核来进行调度。系统运行时,首先调用oshiint()进行初始化,μC/OS-Ⅱ所有的变量和数据结构,再调用Init()初始化微控制器的定时器等,通过调用OSTaskCreat()依次创建各个任务,并且分配任务优先权,所有新建立任务被置为就绪态。最后调用OSStart()启动系统,开始多任务调度。
本系统用2块DS18B20实现对环境温度的检测,保证在被测环境范围内,温度分布均匀,测量更加准确,使用时将DS18B20放置在被测环境的不同位置。获得温度信息时,先由SPCE061A的IOA8脚发送1个1 ms的复位脉冲,以使DS18B20复位后将向SPCE061A发送1个回应脉冲,SPCE061A接到回应脉冲后将发送读DS18B20序列号的读ROM命令,以分别读取3个DS18B20的序列号(每1块DS18B20有惟一的序列号);然后,SPCE061A再发出定位命令以选择在线的DS1820并进行温度转换。当温度转换完成后,SPCE061A的IOA8脚会发送DS1820的存储命令,从而完成温度信息数据的转换和读取。
1.2 湿度测量电路设计
湿度传感器采用Honeywell公司生产的HIH3605[2],它为热固性聚合物电容传感器,带集成信号处理电路,5 V恒压供电,放大线形电压输出0～5 VDC对应0～100%RH(相对湿度),精度为±3%RH。低功耗设计200 μA驱动电流,宽工作温度范围-40～+85 ℃,稳定性好、低的温度飘移、抗化学腐蚀性能优良。由于HIH3605为大信号输出且线性度良好,因此,可省去复杂的信号放大及整形电路,只需经过CPU内部的A/D转换器将与湿度值成正比的电压值转换成16位数字量,和标准进行比对,然后决定是进行加湿还是通风。
2系统软件设计
系统软件主要任务包括:设置、修改、显示仪表的参数;检测、计算、显示温度、湿度等参数;温、湿度状态指示及报警输出;定时存储各种检测及运算参数。本系统软件采用C语言和汇编语言混合编写、模块化结构和程序调用的方法。一般的嵌入式软件系统的设计都是采用前后台式的设计方法。传统的前后台式的单任务软件设计方法已经不能满足工程的需要,因此设计中引入了μC/OS-Ⅱ,采用多任务式的软件设计方法。将μC/OS-Ⅱ移植到SPCE061A微处理器上后,接下来的工作就是对操作系统本身的扩充。
2.1 主程序设计
按温湿度测控系统所要求实现的功能,将整个系统划分为并行存在的任务层和中断程序。系统中并行存在的几个任务按优先级从高到低依次是:系统监视任务、数据采集任务、数据处理任务、数据输出任务、显示任务。温湿度测控系统主程序流程图如图4所示。
中断发生时,系统将强行剥夺运行态任务CPU的使用权,将它转入中断态保存相关数据到堆栈区之后,执行中断服务程序。在中断返回后,系统返回函数将重新进行任务调度,将优先权最高的就绪态转换为运行态。
2.2 数据采集程序设计
数据采集A/D转换主程序和外部中断0服务程序。A/D转换主程序主要实现SPCE061A硬件初始化、实现A/D转换。采集数据程序流程图如图5所示。
3 μC/OS-Ⅱ的移植
μC/OS-Ⅱ是一种专门为微控制器设计的抢占式实时多任务操作系统[3],它以源代码的形式给出。其内核主要提供进程管理、时间管理、内存管理等服务。系统最多支持56个任务,每个任务均有一个独有的优先级。由于其内核为抢先式,所以总是处于运行态最高优先级的任务占用CPU。系统提供了丰富的API函数,实现进程之间的通信以及进程状态的转化。
多任务系统在运行时每个任务好像独立占用CPU一样,因此系统必须为每个任务开辟一块内存空间作为该任务的任务堆栈。该堆栈的作用是保存任务被切换前时CPU各寄存器的值以及系统堆栈的数据。在进行任务切换时需要完成的工作,主要步骤如下:
(1) 将当前任务CPU所有的寄存器压栈;
(2) 将CPU系统堆栈的数据全部拷贝到当前任务的任务堆栈中;
(3) 得到下一个处于运行态优先级最高的任务的任务堆栈的指针;
(4) 恢复下一个任务的CPU寄存器的值;
(5) 恢复下一个任务的系统堆栈中的数据;
(6) 通过中断返回指令或函数返回指令,间接修改PC寄存器的值来进行任务切换。
在为μCOS-Ⅱ编写任务切换代码时需要注意:μCOS-Ⅱ在每次发生中断后都会产生任务调度,但在中断结束后进行的任务切换,不能调用普通任务切换函数,这是因为在中断过程中往往伴随将CPU的状态寄存器压栈操作。在中断后,芯片将PC和SR寄存器的值压入堆栈,因此,在中断结束后进行的任务切换中必须对堆栈指针进行调整。
4结语
本文采用SPCE061A CPU结合嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ,设计并实现了环境温度湿度实时测控系统。在温度-10～85 ℃和湿度20%～98%RH,可任意设定温湿度控制点,而且实时监测环境温、湿度的变化情况,并记录、存储相关数据。另外,该系统便于功能扩展,测控精度高、可靠性高、系统成本低、易操作、易维护,具有广泛的应用前景。
摘要：温度湿度指标是许多工作环境的重要参数。创新性地研究在16位高性能单片机SPCE061A上移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统,选用高性能温湿度传感器,设计实现高精度嵌入式实时温湿度测量控制系统,介绍硬件设计、软件设计以及μC/OS-Ⅱ移植方法,对于实现环境温湿度控制具有重要意义。该系统具有易扩展、高可靠性、实时性高、精度高等特点。
关键词：温度指标,湿度指标,温湿度测控系统,实时操作系统
参考文献
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[4]陈赜.ARM嵌入式技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[5]凌阳大学计划网站[EB/OL].www.unsp.com.cn.
温湿测控 篇3
农产品干燥是农产品加工的一个重要环节,而高能耗和严重影响产品品质是干燥中两个最主要的问题。利用太阳能干燥可以降低常规能源损耗、减少环境污染、提高产品质量、缩短干燥周期,具有良好的经济和社会效益[1]。目前,太阳能干燥测控系统存在精度低、智能化水平不够高等缺点,不能很好地满足对干燥品质要求较高的农产品的加工。随着DSP的应用逐渐普及,提出了一种使用高速 DSP 取代传统低速单片机实现对农产品的太阳能干燥测控系统的设计方法。笔者以TMS320F2812DSP芯片为核心设计,集成温湿度采集、温湿度显示、电源和USB接口电路的农产品太阳能干燥测控系统硬件电路以及软件部分,能对农产品干燥过程中的温度、湿度进行实时监测与控制,为各种干燥装置的设计、生产工艺的优化以及智能控制的实现提供参考依据。
1 系统整体设计
该温湿度测控系统有以下几部分组成:
1)CPU模块。
可以完成温湿度的采集、处理和相关计算。
2)电源模块。
实现对整个系统的供电工作,包括给CPU、液晶显示器、传感器和USB控制器供电等功能。
3)温湿度采集模块。
通过温湿度传感器实现对干燥系统温湿度的采集并传送给CPU。
4)温湿度显示模块。
通过液晶显示器完成对CPU输出信息的显示。
5)USB模块。
完成对温湿度数据的存储,并传送至上位机。
6)风机控制模块。
根据DSP处理器对温湿度数据的分析结果来对风机进行自动控制。
2 硬件电路的设计
2.1 CPU模块
作为硬件电路核心—处理器的选择关系到整个系统的优劣。DSP芯片集中了微控制器和高性能DSP的特点,具有强大的控制和信号处理能力[2],而且还能满足速度高、体积小、功耗及成本低、可靠性高等要求[3]。本系统选用TMS320F2812接收采集温湿度数据,并对数据进行判断、分析进而实现对风机的控制。
TMS320F2812具有高性能的32位中央处理器,功耗低。其核心电压1.8V,I/O电压3.3V ,FLASH编程电压3.3V;并且具有16通道的12位的ADC(A/D Converter)和电机控制外围设备。
2.2 电源模块
电源为整个系统提供能量,是整个系统良好工作的基础。系统中电源分别有:①TMS320F2812DSP核心电压1.8V,I/O口电压3.3V;②液晶显示模块的工作电压5V;③USB模块工作电压3.3V;④键盘工作电压3.3V。
本系统采用专门为F281x设计的电源芯片TPH73HD318PW,如图2所示。其输入电压为5V,两路输出电压均为固定值,分别为3.3,1.8V。
2.3 温湿度采集模块
温度传感器采用新型单总线式数字传感DS18B20。通过这种传感器可以把采集到的温度信号直接转换为数字信号,并且可以通过串行口上传到微处理器进行处理[4]。在多点温度检测系统中,它具有独特的接线方式,通过单总线接口方式连接多个数字式传感器。通过这种方式使各路传感器与处理器接口变得简单,并且克服了使用模拟式传感器与微处理器连接时需要 A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点,可直接将传感器连接在串口上。
DS18B20温度传感器的主要特点是采用全数字温度转换以及输出,电源电压工作范围为 3.0～5.5V,采用先进的单总线数据方式进行通信,在-10～ +85℃温度区间,其精度可达 ±0.5 ℃,检测温度范围为–55～+125℃,内置 EEPROM具有限温报警功能。
湿度传感器选用电容式湿度传感器HS1101作为湿度信号采集传感器。这种电容式湿度传感器响应时间快,具有长时间的稳定性和高性能的可靠性。且在标准环境下使用不需要进一步校正[5]。将传感器与处理器A/D转换模块接口直接连接,不需要额外的A/D转换器。
当相对湿度在 0～100%RH 范围变化时,对应电容值范围为162～ 200pF。湿度传感器HS1101误差值保持在±2%RH范围内,响应时间迅速。
2.4 温湿度显示模块
本系统选择带有驱动控制器的LCD模TG240128A图形点阵液晶显示模块,像素为240×128点,STN液晶屏,内嵌控制器为T6963C[6]。TG240128A与F2812的连接电路,如图3所示。通过液晶显示模块可对所采集的温湿度数据进行实时的显示。
2.5 USB模块
USB模块主要是将所采集的数据传送给上位机进行存储并且作为进一步分析使用。本系统选用CY7C68001作为USB接口的控制器,符合 USB2.0标准,最高速率可达480Mb/s。其中,CY7C68001作为TMS320F2812的外设,CY7C68001采用异步存储器接口与F2812相连接。
2.6 键盘
键盘是人机对话的重要工具。系统使用GPIO部件实现按键功能,采用编程简单的独立按键,且每个按键都占用1个GPIO引脚。使用时,定义GPIO为输入方式,每个GPIO引脚上接有上拉电阻。当没有键按下时,读取GPIO状态为高电平;当有键按下时,该键对应的GPIO引脚为低电平。通过判断GPIO引脚电平状态,确定按键是否被按下。
系统设有4个按键,主要功能是设置温湿度的上限值。4个独立按键分别为清零键、温湿度选择键、加键和减键,可以完成温湿度值的输入。为了防止按键按下或放开时产生抖动而导致DSP误判的问题,系统采用软件去抖的方法控制抖动。当检测到任何键按下瞬间,立即启动10s延时程序以维持并确认闭合或断开。
3 软件的设计
整个系统的程序都在DSP上完成。DSP编程工具采用TI公司的DSP 集成开发环境CCS,它支持TI公司的C2000全系列的DSP芯片,采用汇编语言或C语言进行程序编写。
3.1 程序总体设计流程图
本系统主要完成对温湿度数据的采集,通过液晶显示器对其实时的显示,并可以通过USB接口将数据传送给上位机。系统总体程序流程图如图4所示。
3.2 DSP初始化
以下给出该 DSP 芯片的初始化程序:
4 结束语
以TMS320F2812DSP芯片为核心,设计了温湿度数据采集系统的硬件电路和软件部分,实现温湿度数据的采集和实时显示,并可以通过USB接口把数据传送给上位机。与传统的单片机温湿度数据采集系统相比,其具有较强的实时性,处理速度快、精度高,在对干燥品质要求较高的农产品干燥系统中有广阔的应用前景。
参考文献
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[5]林敏,于忠得.HS1100/HSllo1电容式湿度传感器及其应用[J].仪表技术与传感器,2001(10):44-45.
温湿测控 篇4
温、湿度与人们的生活及工业生产息息相关,人们发明了很多仪器去测量它们,如早期的水银温度计、干湿球湿度计和现在的基于传感器技术的电子测温测湿仪(如电子体温计)等。这些仪器都存在一些缺点,如测量精度不够、功能单一。现在电子测温测湿仪一般利用传感器技术,它的原理是:温湿度传感器的电阻值或电容量随温度、湿度的变化而变化,用电路将这些变化的量转化成电压值,利用A/D变换最终可将电压值变成数字信号,从这些数字值可以反推出温度值或相对湿度值。现在有一些集成的温湿度传感器,可以直接输出数字值,省去了变换电路。
本研究提出了一种基于MSP430F149单片机的温湿度测量控制仪,采用单独传感器加信号转换电路和A/D采样转换的形式采集温湿度数据[1],提供了数字式温、湿度信号接收功能。它可以通过电池供电,精度高,还提供了RS232/RS485通信接口,可形成网络,另外提供了控制输出接口等扩展功能。
1 总体设计方案
该仪器参考市场上已经出现的测温测湿仪器,优化了一些基本性能,并在功能上作了一些扩展,总体包括以下几个部分:主控制部分、电源电路、4路温湿度信号接收放大电路、4mA~20mA电流接收转换电路、RS232/RS485通信电路、人机接口、存储报警电路、继电器控制单板以及时钟电路等。4路温湿度接收放大电路分别是两路温度和两路湿度,其中一路温度和一路湿度既可以接收模拟信号,也可以接收数字信号;A/D转换使用单片机内部的A/D,配合一定精度的传感器,可以满足测量精度要求;板上平时采用蓄电池供电,当与上位机相连时可转为上位机供电,并对蓄电池充电;本研究采用RS232/RS485两种通信方式,两种通信方式共用一个DB 9口,自动识别具体的通信方式;且扩展了外部E 2PROM存储器,用于存储历史数据,板上有实时时钟,提供时间信息和周期性的中断信号;提供了5个按键,用于手持操作,显示采用三线制LCD方式;板上还有声光报警电路、4mA~20mA电流接收转换电路以及继电器单板控制接口(继电器板和主控制板分开,二者电隔离)。设计方案的系统框图如图1所示。
该仪器在只作测量仪器使用时要体现低功耗的特点,所以选用的控制器是低功耗单片机,在不使用时它的耗电要极低,并且能关断其他模块电源。在所有低功耗单片机里,MSP430系列的单片机表现出色,它已有十多年历史,技术成熟。它提供5种休眠模式,每种休眠模式可以关断不同外围模块,耗电都很低,并且在休眠时可以中断唤醒,唤醒时间小于6μs。这里采用MSP430F149单片机作为控制芯片,它有丰富的外部资源,能满足设计要求。
该仪器用于居室温湿度测量时可以选用精度稍差的传感器,温度误差可以控制在0.5℃左右,相对湿度误差在6%左右,另外,本研究选用了高精度的传感器,可以提高测量精度,如温度可达误差0.1℃左右。继电器控制单板可以用来控制干燥器、电热炉等设备,以达到控制温湿度的目的。另外该仪器还可以组网,用于大型机房的实时温、湿度监控。
2 硬件设计
2.1 MSP 430F 149及其外围电路
MSP430F149[2]为16位RISC结构的低功耗单片机,其工作电压范围是1.8V~3.6V,等待方式的工作电流是1.3μA,RAM关闭方式的工作电流更低至0.15μA,正常工作下的电流消耗也很低,最大为250μA,所以选用它能为系统带来低功耗。MSP430-F149片上资源包括8通道12位A/D转换器、两个16位定时器、片内电压比较器、片上乘法器、UART通信接口和SPI通信接口等等,它有“60KB+256B”FLASH和2KBRAM,这些资源使它适合应用于数字电机控制、手持仪表、EE仪表等工业场合。
MSP430F149及其外围电路图如图2所示,温度和湿度模拟量信号分别从P6.4/A 4、P6.5/A 5脚及P6.0/A 0、P6.2/A 2脚输入,由内部A/D转换电路变为数字信号。数字信号则从P1.0/TACLK及P1.2/A 1输入,由约定好的串行通信规则来接收。经过处理的温度和湿度数据保存在外部E 2PROM芯片AT45DB-161D里面,并通过J10接口处的液晶显示出来。MSP430F149外接了一个32 768Hz的晶振,芯片内部的工作频率通过倍频得来,每条指令的执行周期为125ns。图中的PT SHUTDOWN 1和PT SHUTDOWN2信号用于关闭处理湿度模拟信号的运放ISL2827-0IAZ,若接收的是数字湿度信号,则可以关闭运放,以降低功耗。TxD EN和RxD EN用于RS485通信时使能接收和使能发送。1KEY~5KEY外接5个薄膜按键,用于手持操作,BEEP用于蜂鸣器报警,LED用于灯光报警。最后芯片第25脚要接上一个100kΨ,精度为1%的电阻,用于校正内部DCO振荡频率。
2.2 温、湿度信号接收转换
该仪器的测温测湿各有两套电路[3],一套用于接收数字信号或模拟信号,向外提供插入式接口,另一套只接收模拟信号,使用时可以把温度或湿度传感器直接焊接在电路板上。
测温电路1如图3所示,当R48不焊时,若焊上R33,可以接收数字信号,也可以接收模拟信号,两种信号分别由单片机不同管脚接收。若R48焊上,且焊上R32和R33,则只能接收数字信号,此时可以用单片机关掉运放ISL28270或者直接不用焊上。图3中的铂热敏电阻接在电桥一臂上,热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,导致运放两个输入端电压发生变化,热敏电阻的阻值R和运放的输出U的关系为:
测温电路2如图4所示,同图3基本相同,但只能接收模拟信号,此时可以把热敏电阻直接焊在板子上。
测湿电路1如图5所示,板上电源部分的升压电路为湿度传感器提供5.1V电源电压。图5中的电路也可以接收数字、模拟两种信号,即:焊上R46,不焊R49和R50时,可以接收模拟信号,经运放滤波放大后送入单片机A/D转换接口;若焊上R49,可以接收数字信号,若不需要接收模拟信号,则运放及其外围电路不用焊上;当焊上R49和R50时,数字信号可以送往单片机的两个管脚。
测湿电路2如图6所示,同图5基本相同,但只能接收模拟信号,可以把湿度传感器直接焊在板子上。
图3~图6中的运放选择的是低电压、低功耗运放ISL28270IAZ和TLV 2324ID,二者都是为电池供电设计的仪表运放,其中ISL28270IAZ具有Rail-to-Rail特性,可以在2V供电电压下正常工作,它还带有关断功能,能进一步降低功耗。
2.3 4mA~20mA电流信号接口
如图7所示,4mA~20mA电流信号先经过一个精密电阻R35,电阻上产生的压降经过差分放大为0.6V~3V电压,然后送入单片机进行A/D转换。由于知道电阻阻值,得到A/D转换值后就容易知道电流值。实际运用时要注意图中R35和R36取值要小,而R37和R38要远大小前二者的阻值,保证电流从R35和R36入地,产生和实际电流成比例的电压降。这一电路是为电流输出型传感器留的,扩大了该仪器的使用范围,如果不用,相关电路可以不焊。
2.4 RS232/RS485通信部分
RS232串口通信电路如图8所示[4],其中Q1、R1、R2、R4和D8组成的电路用来转换输入电平,U 1A、R3和R12组成的电路用来转换输出电平。VREF B是2.5V参考电压,二极管D8是电压箝位二极管,电压反向时将其入地,以免损坏仪器。图中RS232正电源VP2由232 DTR引入,负电源VEE由232 RTS或232TXD引入。二极管D1~D7和电容C1~C4的组合使用,使得电路能提供通信和供电两种功能,电容C1和C2为0.1μF,电容C3和C4为10μF。信号VP2用于蓄电池的充电和运放LM 2904DR的正电源,VEE用于运放LM 2904DR的负电源。
图9中的RS485通信和图8中的RS232通信共用一个DB 9接口,两种通信方式的识别由485 PWR信号完成。当采用RS485通信方式时,三极管Q2基极为高电平,Q2导通,信号485 PWR为低电平有效信号,单片机的P1.4脚为低,此时由程序识别是RS485通信方式。这里采用ISL83483为RS485信号转换芯片,当TxD EN有效时,CPU TXD信号经ISL83483转换为差分信号后送往外部。当RxD EN有效时,A485和B 485信号经过ISL83483转换后送往控制器的URXD 0脚。RS485电源由DB 9接口J1的7脚引入,D9~D11在电路中起通信保护作用,在负电压时导通,将电压箝位在一定数值。
2.5 电源低功耗设计
系统电源示意图如图10所示[5],整个电路平时由电池供电,当进行串行通信时,可由上位机通过DB 9接口对电池进行充电,并对板子上所有电路供电。测湿电路的电源由VCC经升压芯片LMC 7660升压后得到,若不测湿度,控制器可以关闭升压电路,以降低功耗。控制器输出的VREF信号还控制了串联稳压电路的开关管Q5,使得充电电压约为4V左右。
具体的电源电路如图11所示,图中右部BT1是蓄电池,当没有和上位机相连时,VP2电压为0,VDC也为0,二极管D14截止,D18导通,提供给系统的电源电压VCC约为3.3V;二极管D17截止,此时网络标识+3.4处的电压为0。当仪器通过串口和上位机相连时,VP2处有电压,单片机MSP430F149上的A/D模块提供的基准电压VREF经过电压跟随器(由运放TLV 2324ID的U 4B部分和电阻电容组成)后输出2.5V电压VREF B。VREF B和电压VP2经由运放U 1B、三极管Q5和相关元件组成的串联稳压电路,最后输出4V电压VDC。VDC加到二极管D14的正极,使其导通,通过电阻R22对蓄电池BT1充电,并且二极管D18导通,提供系统工作电源VCC。VDC使二极管D15和D16也导通,提供3.4V电压,用作RS485通信芯片的电源和控制器MSP430F149第19脚P1.7+3.4V电压输入,由于P1口有中断功能,此信号可用于通信唤醒。
图11中的LMC 7660是开关电容电压变换器,它可以把+1.5V~+10V范围内的正电压转换为-1.5V~-10V范围内的负电压,也可以用作电压升压器。这里使用它的升压功能,把3.3V电压VCC升到5.1V的VP1。图中FB 1和FB 2及各自相连的4个电容组成π型滤波电路,使电源VP1纹波很小,为湿度传感器提供稳定的电源电压。信号VDD ON用于控制升压芯片的工作,当VDD ON为高电平时,三极管Q7导通,三极管Q6也导通,使电源电压VCC加到LMC 7660的第8脚。当VDD ON为低电平时,Q7截止,Q6也截止,芯片LMC 7660停止工作,停止提供电压VP1。
2.6 VP 1电压检测
如图12所示,VP1经过电阻R37和R38分压后送入电压跟随器,输出的APWR为VP1的一半,送入单片机进行A/D转换,可以知道VP1实际为多大。测量出VP1的准确值,根据湿度传感器输出电压和电源VP1间的关系,经过运算,最后可以算出相对湿度值。
2.7 继电器控制单板
继电器控制电路如图13所示。继电器控制接口是为外部继电器控制单板预留的控制接口,单片机通过4个管脚P3.0~P3.3控制继电器控制板上的4个光耦(PC 817C),光耦的集电极接ULN 2003的输入,控制ULN 2003任一路接通,打开负载。ULN 2003是专为驱动继电器、LED等大电流负载而设计的芯片,它能驱动7路大电流负载。继电器控制板用12V电源单独供电,两个板子通过光耦隔离,能大大减小电磁干扰对主控板的影响。
2.8 时钟电路
时钟电路采用Philips公司的PCF8563时钟/日历芯片,它是一款功能丰富、具有I2C接口的工业级芯片。PCF8563具有多种报警功能,定时功能,时钟输出功能,可以为系统提供多种复杂的定时服务,如它可以当看门狗使用。它具有低功耗性能,内部有低电压检测电路(1.0V),可以用在电池供电场合。时钟电路的原理图如图14所示,图中INT输出连接到控制器P2.4脚,在单片机休眠状态下为其提供每10min(可编程改变)一次的中断信号(MSP430F149的P1口和P2口具有中断唤醒功能)。
2.9 布局布线注意事项
在本研究中,笔者还总结了布局布线过程中应注意的内容,具体事项如下:
(1)MSP430F149为混合信号单片机,片上有A/D转换模块,它使用的电源要和数字部分分隔开,这里使用电感进行隔离,从电池出来的VCC分别经过一个电感到达数字部分和模拟部分电路。另外要注意单片机不用的A/D转换管脚要接地。
(2)在元器件布局上,模拟器件和数字器件也要尽量分隔开,数字部分的放在一起,模拟部分的放在一起。板上的模拟地和数字地要分开布线,以减少数字部分对模拟部分的干扰。布线尽量避免环路的存在,信号线走向要和电源线与地线一致,另外地线要尽可能的粗,以减小地电阻。
(3)每个元件的电源输入端要加滤波电容,一般是一个0.1μF的电容并上一个10μF的电容,原则上电容越多越好,但要看空间情况来定,一般2~3个即可。
3 软件设计
软件部分[6,7]可分为主程序、中断程序以及各种子程序,在主程序和中断程序里调用数据接收、A/D转换、显示、数据存储、数据上传等子程序。在没有和上位机连接的情况下,单片机执行完操作后,10s时间之内若没有操作,会进入休眠状态,直到有按键中断或和上位机相连,将单片机唤醒。在和上位机相连的情况下,若判断是RS232通信,则采集一次数据,并读出历史数据,一并上传,然后等待10s,没有操作则进入休眠状态。若判断是RS485通信,在断开通信连接之前,单片机不再进入休眠状态,此时单片机可以响应一些按键中断并处理,也可以接收上位机发送来的命令并执行。
3.1 主程序
主程序流程图如图15所示。主程序用于初始化各种外围模块,采集一次数据并存储显示,然后定时等待10s,如果没有其他操作,则进入休眠模式3。若有操作,则调用相关程序处理,处理完后,定时10s再次判断,没有操作则进入休眠状态(在板上电源没有断开情况下,主程序只会执行一次)。
3.2 各种中断处理程序
中断唤醒示意图如图16所示。单片机上电进入休眠后每20min(可编程为其他数值)时钟芯片PCF8563产生一次中断[8],唤醒单片机采集一次数据,等待10s没有操作,就再次进入休眠状态,有操作执行相关程序。在休眠状态下,可以通过1KEY~5KEY5个按键唤醒单片机,也可以通过RS232/RS485通信唤醒单片机。由于单片机MSP430F149支持中断嵌套[9],进入中断后若有更高级中断到来,也会实时响应,这给中断处理带来很大的灵活性。
3.3 RS232/RS485通信
RS232/RS485通信示意图如图17所示。通过P1.7脚(+3.4V信号)的中断唤醒,单片机进入串行通信状态,检查P1.4脚(485 PWR信号)的状态,高电平是RS232通信,低电平是RS485通信。在和上位机相连的状态下,系统通过上位机供电,此时可以带动继电器控制板,用以控制外部负载(如加热体、小型直流电机等),实现温度、湿度控制的目的。此外在RS485通信状态下,可以实时采集温度、湿度信号,具体是定时5s时间(或其他时间值),每次定时到就采集一次数据,显示上传,并判断哪个继电器应该打开,执行控制任务。由于通信是双向的,还可以接收上位机的命令,执行一定操作。由于RS485通信比RS232通信更可靠,在较远距离和恶劣环境下,采用RS485通信,在和PC机相连时,采用RS232通信,两种通信方式实现不同功能。
3.4 其他子程序说明
该仪器提供了5个按键,供外部操作使用。5个按键接在MSP430F149的P1口和P2口上,由于MSP430F149的P1口和P2口具有中断功能,5个按键都有唤醒单片机的能力[10]。在这里,1KEY当作启动数据采集用,在休眠状态下按一下1KEY,单片机唤醒,并启动A/D转换或数字信号接收程序,完成之后会将数据存储并显示,温度湿度数值超过设定值,会发出声光报警信号。2KEY当作数据上传按键用,当和上位机连接状态下,按一下2KEY,可以启动上传程序。按下3KEY后,可以读出时间值,第2次按下3KEY,可以修改时间值,此时按下4KEY,可以修改小时值,按下5KEY,可以修改分钟值(循环修改)。若修改完成或放弃修改,第3次按下3KEY,可以退出时间显示状态。
4 结束语
本研究所设计的仪器经过大量实验,已能完成多种环境下的测量任务。其通用性强,既可以单独手持使用,也可以组网使用。由于精确测量湿度是一个难题,该仪器也只是在现有基础上通过大量实验,得到了一个比较可行的测湿方法,但还有改进的余地。相信随着湿度传感器技术的发展,对湿度测量的精度也会逐步提高,这种电子产品的使用也会越来越多。近年来无线传感器网络技术发展很快,该仪器也可以加以改进,配合无线收发模块,实现无线通信功能。
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