基于AVR單片機的多通道溫濕度傳感器檢定系統(tǒng)

摘要：為了提高溫濕度傳感器檢定的效率，為氣象業(yè)務的發(fā)展提供快捷的服務，設計了一種基于AVR單片機的多通道溫濕度傳感器檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件上采用AVR系列微控制器ATmega16和24位高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232，實現(xiàn)了對溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)信息采集；軟件系統(tǒng)基于RS 232串口，利用數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000和VC技術(shù)，實現(xiàn)了溫濕度傳感器的自動檢定。結(jié)果表明，系統(tǒng)大大提高了溫濕度傳感器的檢定效率和準確度。
關(guān)鍵詞：微控制器；溫濕度傳感器；多通道傳感器；檢定系統(tǒng)

    隨著地面自動氣象站的投入業(yè)務使用，山東省的大監(jiān)自動氣象站和區(qū)域自動氣象站已經(jīng)建成1 500多個，使我省的業(yè)務水平大幅提高，隨著業(yè)務量增加的同時，也給計量檢定工作能力提出了新的要求。但近些年來溫濕度傳感器的檢定很大程度上仍停留在人工檢定階段。這種檢定方法耗時、檢定效率低，因此迫切設計出一套自動檢定溫濕度傳感器的系統(tǒng)，為了改善這種狀況，在VC 6．0環(huán)境下使用MSComm通信控件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了自動站溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，實現(xiàn)8路溫濕傳感器的數(shù)據(jù)批量采集，用以提高溫濕度傳感器的檢定效率和準確度。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能描述
    該設計以AVR單片機和高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232為核心，能對溫濕度傳感器進行檢定。該溫濕度傳感器是溫度和濕度一體化的傳感器，溫度檢測的原理為利用PT100對溫度進行測量。這樣就需要將鉑電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號實現(xiàn)溫度的采集。該設計采用REF200激發(fā)出200μA的恒流電流。濕度中輸出0～1 V的電壓，對應0％～100％的濕度。為了達到對溫濕度值的高精度采集。在此采用高精度的24位A／D轉(zhuǎn)換器ADS1232來實現(xiàn)。該設計通過檢測溫濕度傳感器輸出的信號，實現(xiàn)對此溫濕度傳感器的檢定，單片機讀取的傳感器輸出信息，通過串口送入計算機中顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設計
2．1 系統(tǒng)硬件綜述
    該系統(tǒng)硬件電路由單片機電路、恒流源激發(fā)電路、8路選擇電路、高精度A／D轉(zhuǎn)換電路ADS1232電路、串行通信電路等組成。
2．2 系統(tǒng)控制核心
    該系統(tǒng)采用ATmeGA16單片機。該單片機是一種低功耗8位RISC指令集單片機，具有豐富的片內(nèi)外設，內(nèi)置512 B E2PROM，I／O驅(qū)動能力強，特別適合低功耗型儀器儀表的控制。
    單片機通過對高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232實現(xiàn)對傳感器的溫度和濕度的信息采集，并與標準值進行比較，通過比較實現(xiàn)對待檢定傳感器的檢定。
    單片機核心電路如圖2所示。為了實現(xiàn)單片機與PC機的通信的同步性，采用外部7．372 8 MHz晶振作為主時鐘。

2．3 恒流源激發(fā)電路
    該設計中采用REF200產(chǎn)生200μA的恒流源激勵，用于激勵PT100產(chǎn)生電壓信號，恒流源芯片REF200具有單通道輸出(100±0．5)μA的高精度，并且具有±25 ppm／℃極低的溫度漂移，這一特點使REF200非常適合用于此溫濕度傳感器中PT100的檢測。恒流源激勵電路如圖3所示。
2．4 溫、濕度8路通道選擇電路
    溫、濕度8路通道選擇電路采用通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051實現(xiàn)1～8的選擇。將REF200的輸出電流信號接入CD4051的3號管腳，單片機的I／O口輸出控制信號控制4051的A，B，C引腳來實現(xiàn)X分別與X0～X7通道選通，如圖4所示。
2．5 高精度A／D轉(zhuǎn)換電路
    該設計中采用24位A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232實現(xiàn)對溫度和濕度輸出的電壓信號進行轉(zhuǎn)換。ADS1232有兩路采集通道，這樣一個ADS1232就可以實現(xiàn)溫濕度的同時轉(zhuǎn)換。其外圍電路如圖5所示。將溫度和濕度的電壓信號分別接入AINP1，AINN和AINP2，AINN2即可實現(xiàn)電壓的采集，為了獲得較高的電壓基準，設計采用REF3133作為ADS1232的A／D轉(zhuǎn)換電壓基準。

3 系統(tǒng)程序設計
3．1 單片機程序主流程圖
    系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。上電后主程序初始化寄存器(設置所用到的I／O口的輸入／輸出方式、外部中斷寄存器、串口通信協(xié)議等)，最后打開串口接收中斷使能。當進入串口中斷時判斷當前檢定幾路傳感器，然后依次采集各路通道的溫度和濕度值，將采集到的值通過串口發(fā)送到PC機上上位機軟件顯示。

3．2 軟件系統(tǒng)的主要功能與實現(xiàn)
    該系統(tǒng)主要通過溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對其的校準，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。整個系統(tǒng)在VisualC++6．0環(huán)境下開發(fā)，利用串口通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)批量采集，使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在SQL Server數(shù)據(jù)庫中的存儲與查詢，使用VC中的DataGrid控件、DataCombo控件、ADO控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)查詢，校準證書、檢定證書打印，使用VC調(diào)用Excel實現(xiàn)校準數(shù)據(jù)記錄表輸出。檢定流程圖如圖8所示。
3．3 人機界面
3．3．1 溫濕傳感器檢定界面
    為了方面使用和操作，Visual C++設計了人機界面。運行該系統(tǒng)，進入主界面，菜單由文件、檢測、查詢、幫助組成。點擊檢測系統(tǒng)可以進入溫濕傳感器檢測系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)需要選擇不同的傳感器個數(shù)(1～8)。依據(jù)檢定要求填寫檢測環(huán)境以及溫濕傳感器信息，選擇并打開COM
口，依次對30％，40％，55％，75％，95％從低到高然后從高到低進行正／反程檢定，如圖9，圖10所示。

3．3．2 數(shù)據(jù)查詢
    該系統(tǒng)中的查詢界面有數(shù)據(jù)查詢和檢驗結(jié)論查詢兩部分組成。所有的數(shù)據(jù)查詢都可以根據(jù)傳感器編號或者檢測日期進行查詢。使用兩個“Adodc”控件分別為“DataCombo”控件和“DataGrid”控件提供數(shù)據(jù)。利用SELECT語句實現(xiàn)查詢功能。舉例如下：

    在數(shù)據(jù)查詢界面中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)表格導出至Excel中以及數(shù)據(jù)的打印。

4 結(jié)語
    該系統(tǒng)適用于溫濕度傳感器的批量校準，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存貯、證書打印于一體，與實驗室內(nèi)通過自動氣象站采集器校準溫濕度傳感器相比，具有存貯數(shù)據(jù)方便、實時數(shù)據(jù)動態(tài)刷新、證書自動打印等優(yōu)點，大大降低了檢定人員的工作量，節(jié)約了人力資源。