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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

2024-12-23 20:58 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 本;溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力如何,能否滿足多點測溫的需要;占用 MCU 的 I/O 引腳數(shù)情況如何,因為 MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴,輸入通道有限,多點溫度測量時,如果測量的點數(shù)超過了輸入通道時,就要添加多路復(fù)用器,這將增加成本和開發(fā)時間,應(yīng)盡量節(jié)約;與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡單,溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。 目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有 Philips 公司的 I2C 總線 、 Motorola公司的 SPI總線 、 National Semiconductor 公司的 Microwireplus 總線 、 Dallas Semiconductor 公司的 1Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus 總線等。 常用的數(shù)字溫度傳感器主要有: ( 1) AD7418 是 美國模擬器件公司( ADI)推出的單片溫度測量與控制用集成電其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。測溫范圍為 55℃ ~+125℃ ,具有 10 位數(shù)字輸出溫度值,分辨率為 ℃ ,精度為 177。2 ℃ ,轉(zhuǎn)換時間為 15~30ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高,并且不易受環(huán)境 干 擾等優(yōu)點。 AD7418 可以級聯(lián)至多 8基于單片機(jī)的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 片在同一個 I2C 總線上。 ( 2) LM74 是美國國家 半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器, 并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進(jìn)行檢測,并在片內(nèi)寄存器中存儲轉(zhuǎn)換的溫度值,主機(jī)可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。 LM74 具有休眠模式,在休眠時消耗的電流不超過 10μA,適用于對功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號位,因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá) ℃ 的分辨率,轉(zhuǎn)換時間為 425ms。 ( 3) MAX6575L/H 是美國 MAXIM 公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感 器,具有較好的線性、較低的功耗,而且編程簡單,調(diào)試容易,使用方便。測溫范圍為 40~+125℃ ,其誤差范圍:在 25℃ 時優(yōu)于 177。3 ℃ 在 85℃ 時優(yōu)于 177?!?,在 125℃ 時優(yōu)于 177。5 ℃ 。但是 MAX6575L/H 在其測溫范圍內(nèi)非線性誤差較大,因此,當(dāng)它用于高精度溫度測量時,必須對其進(jìn)行非線性補償。它最多允許在一根 MCU 的 I/O 總線上同時掛接 8 個MAX6575L/H 進(jìn)行多點溫度測量。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現(xiàn)象MAX6575 提供了 “ L” 和 “ H” 兩種型號的傳感器 ,它們的使用方法相同 ,而且每一種型號的傳感器 又可以通過時間選擇引腳。但是, MAX6575L 的遠(yuǎn)距離傳輸特性并不理想,傳輸范圍只能在 5m以內(nèi),超過此范圍將采集不到被測溫度數(shù)據(jù),這也是這種器件的一個弊端。 ( 4) DS18B20 是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器,它具有獨特的單總線接口方式,即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器,從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點,而且 可以通過總線供電,由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高 。 DS18B20 的測溫范圍 55~+125℃ ,最高分辨率可達(dá) ℃ ,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)省了大量的引線和邏輯電路。 Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價格比,有以下特點: ( 1) 適用于低速測控場合,測控對象越多越顯出其優(yōu)越性; ( 2) 性價比高,硬件施工、維修方便,抗干擾性能好; ( 3) 具有 CRC 校驗功能,可靠性高; ( 4) 軟件設(shè)計規(guī)范,系統(tǒng)簡明直觀,易于掌握。 由于 DS18B20 獨特的單總線接口方 式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢,占 MCU 的 I/O引腳資源少, MCU 的通信協(xié)議比較簡單,成本較低,傳輸距離遠(yuǎn),所以,選用 DS18B20作 為溫度測量的傳感器。 濕度傳感器的選用 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計說明書 ) 8 近年來,國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。選擇集成濕度傳感器應(yīng)考慮以下幾點:感濕性能好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量范圍寬,要有較好的一致性、可重復(fù)性,線性度要好、濕滯小,較高的穩(wěn)定性和可靠性,有較強(qiáng)的抗污染能力、使用壽命長。 目前,國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要 廠家及典型產(chǎn)品分別為 Honeywell 公司( HIH360 HIH360 HIH3610 型), Humirel 公司 HM1500、 HM15 HF322HTF3223 型), Sensiron 公司( SHT1 SHT15 型)。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型: ( 1) 線性電壓輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品有 HIH3605/36 HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電,內(nèi)置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號,響應(yīng)速度快,重復(fù)性好,抗污染能力強(qiáng)。 ( 2) 線性頻率輸出集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品為 HF3223 型。它采用模塊式結(jié)構(gòu),屬于頻率輸出式集成濕度傳感器,在 55%RH 時的輸出頻率為 8750Hz(型值),當(dāng)上對濕度從10%變化到 95%時,輸出頻率就從 9560Hz 減小到 8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價格低等優(yōu)點。 ( 3) 頻率 /溫度輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為 HTF3223 型。它除具有 HF3223 的功能以外,還增加了溫度信號輸出端,利用負(fù)溫度系數(shù)( NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時,其電阻值也相應(yīng)改變并且從 NTC 端引出,配上二 次儀表即可測量出溫度值。 常用的集成濕度傳感器主要有: ( 1) HIH3610 是美國 Honeywell 公司生產(chǎn)的具有信號處理功能的熱固聚酯電容式相對濕度傳感器,線性放大輸出、工廠標(biāo)定,獨特的多層結(jié)構(gòu)能非常好地抵抗環(huán)境的侵蝕,諸如濕氣、塵埃、臟物、油、及一些化學(xué)品。工作范圍:溫度 40~+85℃ ,相對濕度 0~100%RH,精度達(dá)到 177。2%RH,激光修正互換性至 5%RH,低功耗驅(qū)動電流設(shè)計為 200μA,反應(yīng)時間為 15s,穩(wěn)定性好、較低的漂移、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)。 ( 2) HF3223 濕度傳感器是法國 Humirel 公司生產(chǎn)的專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)相對濕度傳感器,具有線性的頻率輸出,濕度測量范圍 10~95%RH,精度 177。5%RH,濕度遲 177。%RH,溫度工作范圍 30~+80℃ ,溫度特性好,高可靠性與長時間穩(wěn)定性,在長時間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕,反應(yīng)時間 10s,對化學(xué)品有較高的抵抗性,浸水沒有影響。 ( 3) HM1500 濕度傳感器是法國 Humirel 公司采用 Humirel 專利濕敏電容 HS1101 設(shè)計制造的相對濕度傳感器。帶防護(hù)棒式封裝, 5VDC 恒壓供電, 1~4VDC 放大線性電壓輸出,便于用戶使用。濕度測試量程為 0~100%RH,精度達(dá) 177。3%RH( 10~95%RH 范圍),防灰塵,可有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì),非常低的溫度依賴性,長期穩(wěn)定性好,反映時間 5s,廣泛應(yīng)用于機(jī)房監(jiān)控,智能樓宇,倉庫監(jiān)控等控制場合,價格實惠,是一款性價比極高的濕度傳感器。 基于單片機(jī)的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 9 線性電壓輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品 HIH3610。其主要特點是采用恒壓供電,內(nèi)置放大電路,能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號,響應(yīng)速度快,重復(fù)性好,抗污染能力強(qiáng)。故選用 HIH3610。 顯示 模塊 的選用 顯示有串行和并行兩種方式。并行顯示方式占用硬件資源多,八個筆 劃段和幾個顯示驅(qū)動控制端都要接到單片機(jī)的 I/O 引腳,但顯示刷新速度快;串行顯示方式占用硬件資源少,僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時鐘端、數(shù)據(jù)端三個端口要接到單片機(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。 可見液晶顯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。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件下使用,所以選用數(shù)碼管顯示器。 綜上所述,本設(shè)計最終選用的集成溫度傳感器 DS18B20 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源,通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。濕度傳感器是采用了 HIH3610 相對濕度傳感器它 是一種熱固聚脂電容式傳感器。采集到的濕度信號 經(jīng)過555 振蕩電路后 ,送至單片機(jī) 口 ,實現(xiàn)濕度的顯示與控制。 系統(tǒng)組成框圖 以單片機(jī)為控制核心,采用溫濕度測量,通信技術(shù),誤差修正等關(guān)鍵技術(shù),以溫濕度傳感器作為測量元件,構(gòu)成智能溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng),可分為溫度測量電路,濕度測量電路,數(shù)據(jù)存儲及顯示電路,語音報警電路,見圖 21。選用的主要器件有 :溫度傳感器 DS18B20,濕度傳感器 HIH3610,單片機(jī) AT89S52, 6 數(shù)碼管顯示模塊, MAX232,集成定時器 555 芯片等。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計說明書 ) 10 D S 1 8 2 O 溫 度 傳 感 器H I H 3 6 1 0 濕 度 傳 感 器單 片 機(jī)8 9 S 5 2串 行 口 L E D 顯 示 報 警 電 路光 電 耦 合 圖 21 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的: ( 1) 信號采集 由 DS18B HIH3610 組成; ( 2) 信號分析 單片機(jī) AT89S52基本系統(tǒng)組成; ( 3) 信號顯示 由串行口 LED顯示器和報警電路組成。 基于單片機(jī)的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 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 [7]。 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℃ ,固有測溫分辨率 ℃ 。 ( 5) 測量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送 。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計說明書 ) 12 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,電源供電 ~。 GND:
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