溫、濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計簡介

摘要： 采用AT89C2051 單片機為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、數(shù)碼管顯示、計算機監(jiān)控系統(tǒng)等部件，通過單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數(shù)據(jù)，并通過RS485 總線來實現(xiàn)PC 上位機與單片機控制模塊半雙工串行通信。微控制器AT89C2051 通過I2C 總線控制傳感器的測量和數(shù)據(jù)回傳，每次將采集到的5 組數(shù)據(jù)經(jīng)過計算，修正及補償后分別傳送到PC 端存儲和顯示模塊進行實時顯示。經(jīng)過實驗測試得出結(jié)論：溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±2%RH，各項指標(biāo)均達(dá)到了課題的設(shè)計要求。

利用AT89C2051 單片機強大的功能，同時結(jié)合智能傳感器SHT75 測量溫濕度有快速和使用簡便等特點，設(shè)計了一個溫濕度采集系統(tǒng)來對溫濕度進行實時監(jiān)控。通過對實際環(huán)境的溫濕度測量， 證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計簡單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性價比相當(dāng)高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數(shù)檢測儀。

1 溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為了實現(xiàn)課題對監(jiān)控機構(gòu)的穩(wěn)定性好、精度高、實用性強的要求，比較眾多溫濕度測量方案，系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75 和AT89C2051 單片機構(gòu)成， 通過SHT75 對各環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實時檢測，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進制值存儲于芯片的RAM 中， 單片機通過發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應(yīng)的參數(shù)值， 本系統(tǒng)帶RS485 通訊接口可連接監(jiān)控主機或PC，通過監(jiān)控主機或PC 來實時查看當(dāng)前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機或PC 上設(shè)置報警參數(shù)以便實時監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

1.2 芯片選擇

1.2.1 溫濕度傳感器

鑒于測量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統(tǒng)要求響應(yīng)靈敏，測量精度要高，溫度小于等于±0.3 ℃，濕度小于等于±1.8%，穩(wěn)定性能良好，因此采用了瑞士生產(chǎn)的SHT75 溫濕度傳感器。

1.2.2 微處理器

該芯片主要是控制溫濕度采集，數(shù)據(jù)處理，實時溫濕度顯示及通信，那么對微控制器的端口需求較少，而且從測量系統(tǒng)對本模塊體積限定等諸多因數(shù)來考慮， 系統(tǒng)選用ATMEL 公司推出的AT89C2051， 它是目前比較主流的單片機芯片，20 個引腳，其中包括15 個I/O 口，復(fù)位和外部時鐘驅(qū)動端， 一個全雙工串行通信端口，5 個中斷源等，128 B 的內(nèi)部RAM，2 kB 的內(nèi)部ROM 空間。

1.2.3 隔離芯片

鑒于長距離驅(qū)動數(shù)碼管顯示實時采集的溫濕度數(shù)值，為了使顯示的穩(wěn)定性和可靠度增強，采用了兩片6N137 光電隔離芯片來驅(qū)動串行輸入并行輸出7 片74LS164 芯片， 其中6片控制6 個數(shù)碼管顯示溫濕度，1 片用于控制4 個LED 燈顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

1.2.4 看門狗芯片

為了監(jiān)控檢測模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機開發(fā)系統(tǒng)必不可少的部分， 采用的X25054 看門狗芯片主要功能有監(jiān)控電源，防止運行程序跑飛，擴充控制芯片存儲空間等。

1.2.5 通信接口

數(shù)據(jù)采集包括單片機對溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC 對單片機數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)采用的是RS485 接口，它是一種半雙工串行通信接口， 采用平衡差分的傳輸模式，比RS232 接口提高了傳輸?shù)乃俾屎驮黾恿藗鬏斁嚯x，目前廣泛運用于數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)原理圖的繪制

本系統(tǒng)采用AT89C2051 單片機作為控制核心，系統(tǒng)主要包括溫濕度傳感器、CPU、通訊接口等部件。電路圖的繪制采用Protel DXP 2004 開發(fā)工具，在設(shè)計PCB 板的時候，應(yīng)特別注意電磁兼容性設(shè)計、地線設(shè)計、去耦電容配置等幾個方面。

電磁兼容性設(shè)計的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾， 使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少電子設(shè)備本身對其他電子設(shè)備的電磁干擾。在雙面PCB 板中，上下兩層信號線的走線方向要盡量相互垂直或斜交叉，避免平行走線，以減少寄生耦合的產(chǎn)生。

在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。地線設(shè)計中應(yīng)根據(jù)電路特性，正確選擇單點接地與多點接地，對高頻電路要采用多點接地，并盡量加粗接地線，接地線的寬度一般為普通走線的2 倍，而且要將接地線構(gòu)成閉合環(huán)路。

在直流電源回路中，負(fù)載的變化會引起電源噪聲。因為在數(shù)字電路中， 當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，提高PCB 板的可靠性。

溫濕度采集模塊PCB 板制作包括主控系統(tǒng)板制作和實時數(shù)據(jù)顯示板制作，最終設(shè)計的PCB 圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 溫濕度采集模塊

圖3 實時數(shù)據(jù)顯示模塊

1.4 系統(tǒng)實物圖

最終參數(shù)采集及實時顯示模塊實物圖如圖4 所示。

圖4 參數(shù)采集及實時顯示模塊原理圖
 

2 實驗結(jié)果測試與分析

2.1 第一組實驗數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)調(diào)試后在室內(nèi)進行了模擬測試，檢驗了系統(tǒng)的測試效果以及測試精度。在數(shù)據(jù)處理時，采用大量的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析來減少誤差，并對運行結(jié)果進行了記錄分析。實驗第一組數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 第一組實驗測量數(shù)據(jù)

在溫濕度傳感器未經(jīng)修正時，溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)相比較，其數(shù)據(jù)偏差即將接近本系統(tǒng)所要達(dá)到的期望值，但還有待改進。2.2 傳感器的補償和修正

為了補償溫濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使用如下公式(1)修正輸出數(shù)值：

RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH (1)對高于99%RH 的那些測量值則表示空氣已經(jīng)完全飽和，必須被處理成顯示值均為100%2RH。濕度傳感器對電壓基本上沒有依賴性。

當(dāng)實際測量溫度與25 ℃相差較大時， 應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)，使用如下公式(2)。

2.3 第二組實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)公式(1)、(2)對傳感器進行修正補償后得到實驗第二組數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 第二組實驗測量結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出：經(jīng)過補償和修正以后，使溫度傳感器測量數(shù)據(jù)的溫度精度小于等于0.2 ℃， 濕度精度小于1.0%RH，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計要求，滿足了溫度精度為±0.3 ℃和濕度精度±2.0%RH 的課題測量要求。

3 結(jié)論

本文介紹的溫濕度采集系統(tǒng)硬件的設(shè)計，創(chuàng)新點在于針對溫度和濕度的測量特點，采用SHT75 系列數(shù)字溫濕度傳感器，可與單片機直接相連，并且由于它溫濕一體的高度集成化，改變傳統(tǒng)溫濕度變送器硬件包含溫度傳感器、濕度傳感器、信號處理器、A/D 轉(zhuǎn)換等部分，從而簡化外圍電路并降低成本，提高了電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到了較高的性價比。