【文章內(nèi)容簡介】 到單片機(jī)的I/O引腳上，顯示刷新速度較并行顯示方式慢。顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（LCD）和數(shù)碼管顯示器（LED）。液晶顯示器在使用中有許多注意事項：不能對它長期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時烙鐵要接地?？梢娨壕э@示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時也有一定的優(yōu)勢，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是PA級的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴(yán)格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強(qiáng)的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本設(shè)計選用液晶顯示器。 系統(tǒng)組成框圖以單片機(jī)為控制核心，采用溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w和有毒氣體測量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器和氣體傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能環(huán)境安全檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度測量電路，濕度測量電路，煙霧測量電路，可燃?xì)怏w和有毒氣體測量電路，數(shù)據(jù)存儲及顯示電路，聲光報警電路，見圖21。選用的主要器件有：溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HS1101，氣體傳感器MQ2和MQ5，NE555，AD轉(zhuǎn)換器TLC2543，單片機(jī)AT89S52等。單片機(jī)89S52AD轉(zhuǎn)換器TLC2543MQ2氣體傳感器MQ5氣體傳感器液晶顯示報警電路DS18B20溫度傳感器HS1101濕度傳感器NE555圖21 系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)的工作原理 傳感器的基本特性在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測和控制，這就要求傳感器能感受被測非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入——輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有:線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。 傳感器的動態(tài)特性傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄過程不受時間限制。而實際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的規(guī)律，即被測量的波形。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如:最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。 溫度傳感器美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，通過簡單的編程實現(xiàn)9位的溫度讀數(shù)。并且多個DS18B20可以并接到多個地址線上與單片機(jī)實現(xiàn)通信。由于每一個DS18B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。與其它溫度傳感器相比，DS18B20具有以下特性:（1）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（2）DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。（3）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。（4）溫范圍55℃~+125℃，℃。（5）測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。DS1820采用3腳TO92封裝或8腳50封裝，管腳排列如圖31所示：圖31 DS18B20的引腳對圖31中DS18B20的引腳功能說明如下：NC：空引腳，不連接外部信號。VDD：接電源引腳，~。GND：接地。DQ：數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。DQ：引腳的I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，該引腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平。，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等7部分。圖32 DS18B20的內(nèi)部框圖測溫原理見圖33。低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。初始時，溫度寄存器被預(yù)置成55℃，每當(dāng)計數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過重復(fù)進(jìn)行直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。初始時，計數(shù)器1預(yù)置的是與55℃像對應(yīng)的一個預(yù)置值。以后計數(shù)器l每一個循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計數(shù)器1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加1℃計數(shù)器所需的計數(shù)個數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與025℃進(jìn)行比較，℃，溫度寄存器的最低位就置0，℃，就置1，℃，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位后置0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，℃，四舍五入最大量化誤差為士l/ZLSB，℃。 圖33 DS18B20測溫原理圖溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位其余8位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存寄存器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第1字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占用第2字節(jié)。DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號:同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位(包含一位符號)，但因符號位擴(kuò)展成高8位，故以16位補(bǔ)碼形式讀出，溫度和數(shù)字量的關(guān)系如表31所示。表 31 溫度和數(shù)字量的關(guān)系變量輸出的二進(jìn)制碼對應(yīng)的十六進(jìn)制碼+12500000001111101000FAH+250000000001100100032H+1/20000000000000010001H00000000000000000000H1/2111111111111111FFFFH25111111111001110FFCEH55111111110010010FF92H單線總線，即1wire技術(shù)是DS18B20的一個特點。該技術(shù)采用單根信號線，既可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。當(dāng)只有一個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作。當(dāng)有多個從設(shè)備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。為了保證在有效的時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，這種情況下，用一個MOSFET管和單片機(jī)的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，完成溫度測量的時間較短。當(dāng)使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時，供電端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便對傳感器充電。但當(dāng)所測溫度超過100℃時，DS18B20的漏電流增大，傳感器從I/O線上獲取的電流不足以維持DS18B20通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導(dǎo)線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些。 濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。下面 介紹HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 特點不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 圖34a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖34b、濕度電容響應(yīng)曲線。相對濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由160pF變到200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時間小于5S； pF/℃?？梢娋仁禽^高的。 濕度的計算方法本設(shè)計將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號，從而得出濕度。頻率輸出的555測量振蕩電路如圖35所示。集成定時器555芯片外接電阻RR6與濕敏電容C，構(gòu)成了對C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C的放電回路，并將引腳6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。電源電壓工作范圍是++12V，本監(jiān)測系統(tǒng)采用+5V。R4是作為內(nèi)部溫度補(bǔ)償，引入溫度效應(yīng)，使它與HS1101的溫度效應(yīng)相匹配。R4必須是1%精度,最大溫度效應(yīng)小于100ppm的電阻。由于不同型號的555的溫度效應(yīng)不同，所以R4必須與相應(yīng)型號的555芯片相匹配。為了保證在55%RH的典型濕度值為6660Hz(25℃)，R6也必須做修正。對于NE555，R4取909k,R6取576k。為了使輸出方波占空比接近50%，應(yīng)使R6R5。圖35 頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源Vs通過RR6 向C充電，經(jīng)t充電時間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R6放電，經(jīng)t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，此時輸出，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 t充電=C（R4+R6）Ln2 t放電=CR6 Ln2因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/[ C（R4+R6）Ln2]可見，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表32給出了其中的一組典型測試值。表32 空氣濕度與電壓頻率的典型值%RH0102030405060708090100Hz73517224710069766853672866006468633061866033該振蕩電路輸出的方波的頻率fout：fout=1/[ C（R4+R6）Ln2] 根據(jù)HS1101使用手冊，該振蕩電路輸出的方波頻率范圍是6033～7351Hz,所對應(yīng)的相對濕度為100～0%R。表32給出了一組相對濕度與電壓頻率的對應(yīng)值。輸出電壓頻率與濕度關(guān)系為： 其中，fout(55)是指在55%RH的典型濕度值時的電壓輸出頻率值，在25℃下,該值為6660Hz。本系統(tǒng)要求濕度精度為3%RH，可以用下式計算fout與RH的關(guān)系： 輸出方波的占空比D為： 由上式可計算出振蕩電路輸出的方波的占空比為52%。 氣體傳感器MQ2 特點 可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣丙烷、丁烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，長壽命、低成本，簡單的驅(qū)動電路即可。MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。圖38是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2 個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。VcVHGNDRLVRL 圖36 傳感器的基本測試電路圖36 傳感器的基本測試電路 結(jié)構(gòu)、外形MQ2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖39所示(結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。圖37 MQ2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形表33 MQ2各部分名稱及材料 部件材料1氣體敏感層二氧化