基于PIC單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：研究了短距離無線通信技術(shù)在工業(yè)數(shù)據(jù)控制上的一個具體應(yīng)用，主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計和軟硬件組成，硬件部分選擇PIC單片機(jī)作為控制核心，控制微功率RF芯片(nRF24E1)完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，控制ICL7135完成傳感器數(shù)據(jù)的A／D轉(zhuǎn)換，選擇LabVIEW軟件編寫控制界面。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能實(shí)時顯示監(jiān)控曲線和數(shù)據(jù)存儲，可實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境的溫濕度精確控制。
關(guān)鍵詞：無線通信；PIC單片機(jī)；LabVIEW；控制界面

0 引言
    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對環(huán)境提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學(xué)制藥需要精確的溫濕度控制。因此，對溫、濕度和一些基本數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制已成為生產(chǎn)過程中非常重要的技術(shù)要求。
    PIC單片機(jī)(Peripheral Interface Controller)是由美國Microchip公司推出的，由于它的硬件系統(tǒng)設(shè)計便捷、指令系統(tǒng)設(shè)計精煉、采用精簡指令集和哈佛總線結(jié)構(gòu)，擁有速度高、功率低、驅(qū)動電流大及控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足用戶的各種需要，因此得到廣泛的應(yīng)用。
    本文提出一種采用PIC單片來設(shè)計實(shí)現(xiàn)的測量和控制系統(tǒng)。首先進(jìn)行實(shí)例內(nèi)容描述。

1 系統(tǒng)組成
    該系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容分成兩大部分：溫濕度的測量和控制。
1．1 溫濕度測量部分
    溫濕度測量部分如圖1所示，由傳感器、信號調(diào)理前端、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和無線收發(fā)模塊組成。

1．2 溫濕度控制回饋部分
    控制回饋，就是控制核心MCU根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過特定的算法判斷當(dāng)前的狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的指令來控制特定的模塊以控制溫濕度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 溫濕度傳感器的選擇
    溫濕度傳感器大致可以分為模擬溫濕度傳感器和數(shù)字溫濕度傳感器兩類。
    模擬溫濕度傳感器輸出的是信號通常是電流、電壓等線性信號，要通過信號前端調(diào)理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，才能輸入PIC控制核心來運(yùn)算。這類常用的型號如：熱敏電阻、熱電偶、ADI公司出品的AD590、美信公司出品的MAX6613等。
    數(shù)字化的溫濕度傳感器在內(nèi)部集成了傳感器、調(diào)理電路和A／D轉(zhuǎn)換等電路，可以直接輸出數(shù)字信號，也可以直接與PIC單片機(jī)相連。常用的數(shù)字溫濕度傳感器有達(dá)拉斯公司出品的DS18B20，ADI公司出品的ADT75等。
    該系統(tǒng)選用ADI公司出品的AD590，其主要特點(diǎn)如下：
    (1)線性化的電流輸出：1μA對應(yīng)1 K(K為絕對溫濕度單位)。
    (2)寬溫濕度測量范圍：-55～+150℃。
    (3)優(yōu)異的線性：全溫濕度范圍內(nèi)達(dá)到±0．3℃。
    (4)寬泛的供電范圍：4～30 V。
    (5)低廉的價格。
2．2 PIC單片機(jī)硬件
    PIC單片機(jī)作為控制核心，其最小系統(tǒng)原理如圖3所示。圖3中PIC16F877接上供電電壓(+5 V和GND)，復(fù)位電路及晶振電路，即可正常工作，顯得簡潔易用。

2．3 A／D轉(zhuǎn)換芯片
    ICL7135是一種四位半的雙積分A／D轉(zhuǎn)換器，具有精度高(精度相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù))、價格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)利用ICL7135進(jìn)行串行數(shù)據(jù)采集。該方式結(jié)構(gòu)簡單、編程簡潔、占用單片機(jī)資源少。通過單片機(jī)PIC16F877的定時器T0來計脈沖個數(shù)，定時器T0所用的頻率為系統(tǒng)晶振頻率的1／12。為了使定時器T0的計數(shù)脈沖與ICL7135工作所需的脈沖同步，可以將ICL7135的BUSY信號接至PIC16F877的PSP5引腳，此時定時器T0是否工作將受BUSY信號控制。當(dāng)ICL7135開始工作時，即ICL7135的BUSY信號跳高時，定時器T0才開始工作。

    ICL7135與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。將單片機(jī)的ALE端的信號經(jīng)過D觸發(fā)器4分頻后連接到ICL7135的CLK端。這樣，定時器T0所記錄的脈沖數(shù)是ICL7135測量得到的脈沖數(shù)的2倍。將定時器記錄的脈沖個數(shù)除以2得到測量脈沖個數(shù)。再將測量脈沖個數(shù)減去10001就得到了A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，這樣就得到了被測的模擬量，這些轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)全部在軟件中完成，因此非常簡單。
2．4 無線收發(fā)芯片nRF24E1
    nRF24E1是挪威Nordic公司2003年開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)模塊。采用QFN封裝，將射頻發(fā)射、接收、GMSK調(diào)制、解調(diào)、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、9輸入12位ADC、125頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    主要組成模塊有：
    (1)微處理器：增強(qiáng)型8051內(nèi)核。
    (2)可編程控制的PWM輸出。
    (3)SPI接口：nRF24E1的SPI總線中含3條串口線(SDI，SCK和SDO)。
    (4)RTC喚醒定時器、WTD和RC振蕩器。
    (5)A／D轉(zhuǎn)換器：nRF24E1 A／D轉(zhuǎn)換器有10位的動態(tài)范圍。
    (6)無線收發(fā)器：nRF2401工作于全球開放的2．4～2．5 GHz頻段。收發(fā)器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。
    (7)電源管理：在程序的控制下，nRF24E1可進(jìn)入POWER DOWN省電模式，此時電流消耗僅為2μA，外部中斷和看門狗復(fù)位能使系統(tǒng)退出省電模式。
    (8)抗干擾能力：采用nRF24E1芯片很容易引入跳頻機(jī)制，采用頻點(diǎn)躲避方式降低同頻干擾的影響。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件部分包括初始化、A／D數(shù)據(jù)采集、閾值判斷以及控制輸入／輸出等幾個模塊，總體構(gòu)成如圖6所示。

3．1 軟件系統(tǒng)
    該系統(tǒng)的PC機(jī)端的軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW平臺，該平臺是測控領(lǐng)域優(yōu)秀軟件，被譽(yù)為工程師的語言，可以加快產(chǎn)品開發(fā)速度。
    LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境，且功能強(qiáng)大。
    由LabVIEW編寫的控制界面及框圖程序如圖7，圖8所示。

4 結(jié)語
    本文介紹了一個完整的溫濕度測量、控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括器件的選擇、硬件的設(shè)計、軟件的設(shè)計，以及代碼注釋。采用了PIC單片機(jī)上自帶的ADC模塊，用戶在自行設(shè)計時，可以考慮將其換成外部的高精度或高速的ADC器件，從而將精度、速度提高；也可以采用更新、更好的傳感器，從而簡化后級電路設(shè)計，也可以達(dá)到提高性能的目的。