【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、 測(cè)量方式是接觸式的還是非接 觸式的、信號(hào)的引出方 法 、傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格是否能承受。 在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器 ， 然后再考慮傳感器的具體性 能指標(biāo) 。 傳感器的具體指標(biāo)有靈敏度 ， 頻率響應(yīng)特性 ， 線性范圍 ，穩(wěn) 定性 ， 精度等 。 這 些參數(shù)并不是要求越高越好 ， 因?yàn)橐笤礁卟粌H會(huì)帶來(lái)成本的提高 ， 也會(huì)帶來(lái)信號(hào)處理 的難度 ， 噪音等問(wèn)題 。 在滿足檢測(cè)系統(tǒng)要求的前提下我 們 一般選擇價(jià)格便宜和簡(jiǎn)單的傳 感器。 傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)溫 濕 度檢測(cè)大都采用模擬溫濕度傳感器經(jīng)前端放大 、 信號(hào)調(diào)理 、 A/D 變 換和數(shù)據(jù)線性修正等過(guò)程來(lái)完成 。 放大 、 A/D 電路的性能對(duì)測(cè)量的精度影響較 大 ， 特別 是當(dāng)傳感器經(jīng)較長(zhǎng)距離傳輸后與電路相連 時(shí) ，對(duì)電路要求更加嚴(yán)格。為提高測(cè)量精 度 ， 需增加系統(tǒng)成本和花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn) 行 硬件電路及軟件的調(diào)試 。 而數(shù)字溫度傳感器其信 號(hào)的處理都在芯片內(nèi)部完 成 ，芯片在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的線性校正 ， 用戶只需通過(guò)一定 的協(xié)議從芯片中取出數(shù)字信 號(hào) ， 就可完成精度較高的溫度測(cè)量 ， 不必考慮模擬信號(hào)帶來(lái) 的不便，大大降低了 產(chǎn) 品的成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。 本系統(tǒng)中， 我 采用集溫度、濕度測(cè) 量 于一體 的 數(shù)字傳感 器 DHT21， 溫度傳感器濕 度傳感器合二為一 ， 避免了溫度和濕度在同時(shí)測(cè)量或讀取時(shí)引起的沖突 ， 簡(jiǎn)單方便 ， 快 速高效 ， 經(jīng)濟(jì)耐用 。 采用該款傳感 器 避免了模擬傳感器帶來(lái)的共地干擾和線路干擾問(wèn)題， 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度 ， 提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和智能化程度 ， 并在一定程度上降低了 系統(tǒng)成本。 DHT21 輸出數(shù)字量已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn) ， 傳感器包括電容式感濕元件和 一 個(gè) NTC 測(cè) 溫元件 ， 并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接 ， 無(wú)需額外部件 ， 只有一根信號(hào)線 ， 便于擴(kuò) 展，性能穩(wěn)定，并 且 比同類產(chǎn)品要便宜的多，所以用在這里是我們理想的選 擇 。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù) ， 為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠 ， 采用集散控制的方法 ， 每個(gè)糧倉(cāng)配備 一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控 制 器 ?，F(xiàn) 場(chǎng) 控制器只有 在 接收到 上 位主控計(jì)算 機(jī) 的指令 時(shí) 才進(jìn)行其相應(yīng) 操 作，其他時(shí)間單獨(dú)工作，并不斷向上位機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)如下： ? 當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故 障 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以繼續(xù)工作，不會(huì)影響控制功能； ? 溫濕度控制器的工作狀態(tài)由現(xiàn)場(chǎng)控制器獨(dú)立控制； ? 當(dāng)某一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器 出 現(xiàn)故障時(shí)，可以立即 利 用備用的現(xiàn)場(chǎng)控制器替 換， 不 會(huì) 影響其他糧倉(cāng)溫濕度的控制，保證控制質(zhì)量。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場(chǎng)控制器的硬件 、 軟件設(shè)計(jì) ， 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì) 。按照目標(biāo) 要求，現(xiàn)場(chǎng)控制器完成的功能如下： ? 采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度并傳給上位機(jī) ， 根據(jù)設(shè)定溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 ， 滿足控制要求； ? 通過(guò) CAN 總線與上位機(jī)機(jī)進(jìn)行通信； ? 顯示當(dāng)前的溫濕度測(cè)量值、設(shè)定值、實(shí)時(shí)時(shí)間； ? 可通過(guò)鍵 盤(pán) 設(shè)定溫濕度理想值； ? 在溫濕度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警； ? 能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的掉電保 護(hù) 。 上位機(jī)軟件完成的功能如下： ? 采集、儲(chǔ) 存 溫濕度值，繪制、打印實(shí)時(shí)曲線； ? 設(shè)定溫濕度上下限，并給出報(bào)警； ? 控制現(xiàn)場(chǎng)控制器是否發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)； ? 查詢、打印溫濕度數(shù) 據(jù) 的歷史曲線； ? 與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通信，顯示控制器狀態(tài)。 根據(jù)糧倉(cāng)溫 濕 度范圍 和控制精度要 求 ，采用 數(shù) 字溫濕 度 復(fù) 合 傳感 器 DHT21。由于 使用 CAN 總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與主控室的通信，傳輸距離可達(dá)到 10km， 最高通信速率可達(dá) 1Mbps，完全能滿 足 通信距離和通行速率的 要 求 。 由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有 干 擾，為了保證系統(tǒng) 可靠工作，采用自帶看門(mén)狗的單片機(jī) STC89C52，保證有干擾時(shí)，程序能夠自動(dòng)復(fù)位并 開(kāi)始正常工作。 根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)及總體設(shè)計(jì)方案，繪制系統(tǒng)的總體框圖 如 圖 所示。 圖 系 統(tǒng) 總 體 結(jié) 構(gòu) 原理 圖 本系統(tǒng)以糧倉(cāng)的溫濕度為監(jiān)測(cè) 對(duì) 象，主要由 PC 機(jī)、 USB 轉(zhuǎn) CAN 總 線模塊和智能 節(jié)點(diǎn)三部分組成。 位于主控室的上位監(jiān) 控 機(jī)，可以隨時(shí)隨地通 過(guò) 界面友好、使用方便 的 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn) 對(duì)各個(gè)糧倉(cāng)中各采集點(diǎn)溫濕度的監(jiān)控 。 作為信號(hào)傳輸層的 USB 轉(zhuǎn) CAN 總線模塊是連接 上位監(jiān)控機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)的橋梁 ， 上位監(jiān)控機(jī)發(fā)出的控制信號(hào) ， 以及智能節(jié)點(diǎn)的反饋信號(hào) 都是通過(guò)它 傳 遞的。 糧 倉(cāng)內(nèi)的智能 節(jié) 點(diǎn)，能獨(dú) 立完成溫濕 度 的測(cè)量 和 控制，還能通 過(guò) CAN 總 線 與 上 位 監(jiān)控 機(jī)通 信 ， 并根 據(jù) 命 令按 照上 位 機(jī) 的 設(shè) 定 溫 濕度 進(jìn)行 控 制 以 及決 定 是否向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)溫濕度數(shù) 據(jù) ，智能節(jié)點(diǎn)原理圖如圖 所示。 圖 智 能 節(jié) 點(diǎn) 原 理 圖 東 北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 智能節(jié)點(diǎn)由 STC89C52 最小系統(tǒng)和 DHT21 溫 濕度測(cè)量電路，鍵盤(pán)輸入電路 ， LCD 液晶顯示電路 ， 聲光報(bào)警電路 ， 掉電保護(hù)電路 ， 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 ， 輸出控制電路以及 CAN 總線通信模塊構(gòu)成 ， 能完成對(duì)一個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)多點(diǎn)溫濕 度 數(shù)據(jù)采集 ， 溫濕度控制 ， 能輸入所 要控制到的溫濕度值，能顯示 出 溫濕度值和實(shí)時(shí)時(shí)間，能超限報(bào)警 ， 有掉電保護(hù)功能， 還能通過(guò) CAN 總線接口與 CAN 總線通信。智能節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖 所示。 圖 智 能 節(jié) 點(diǎn) 的 原 理框 圖 因?yàn)楣虘B(tài)繼電器的輸入控制屬于兩位控 制 ， 只有開(kāi)或關(guān)兩個(gè)狀態(tài) ， 不能進(jìn)行線性控 制 ， 所以其控制算法采用 PWM 控制 。 為了 達(dá) 到很快的控制速度 ，很高的控制精度 ， 取 得令人滿意 的 控制效 果 ， 再結(jié)合糧 倉(cāng) 溫濕度 這 一被控對(duì)象 的 特點(diǎn) ， 系 統(tǒng)中，對(duì)傳統(tǒng) 的 PWM 控制又做了一 些 改 進(jìn) 。系統(tǒng)控制原理框圖如圖 所示。 圖 系 統(tǒng) 控制 原 理 框 圖 系統(tǒng)中，下位 機(jī) 通過(guò) 程 序控制各外圍器件的 工 作，完成檢測(cè)實(shí)時(shí)溫 濕 度，判斷是否 報(bào)警，并控制溫濕度，還能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，其主程序流程圖 如 圖 所示。 開(kāi)始 初始化 讀取溫濕度標(biāo)值 向 CGRAM 寫(xiě)字符 設(shè)定狀態(tài)？ 否 是 清看門(mén)狗寄存器 否 上位機(jī)允許？ 是 發(fā)送到 can 總線 設(shè)定并顯示設(shè)定值 聲光報(bào)警處理 存儲(chǔ)溫濕度設(shè)定值 PWM 控制輸出 數(shù)字濾波 接收 can 總線數(shù)據(jù) 顯示前數(shù)據(jù)處理 否 發(fā)向本節(jié)點(diǎn)？ 否 顯示溫濕度？ 是 算出溫濕度設(shè)定值 是 顯示實(shí)時(shí)溫濕度 存儲(chǔ)溫濕度設(shè)定值 讀取實(shí)時(shí)時(shí)間 讀取實(shí)時(shí)溫濕度 顯示實(shí)時(shí)時(shí)間 圖 下 位 機(jī) 主程 序 流程圖 3 系統(tǒng)硬 件 設(shè)計(jì) STC89C52 簡(jiǎn)介 STC89C52 是 STC 公 司 推出的 8 位單片機(jī) ， 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容 ，超強(qiáng)的加 密功能，極高的擦寫(xiě)次數(shù)（大于 100000） 。 STC89C52 最高可支持 80MHz 時(shí)鐘頻率，具有 1 個(gè)看門(mén)狗定時(shí) 器（ WDT） ， 4 個(gè)中 斷優(yōu)先級(jí)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了 12M 的 時(shí) 鐘頻率，用 T0 產(chǎn)生 PWM 脈沖，用 WDT 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 在本系統(tǒng)中 ， 每個(gè)糧 倉(cāng) 設(shè)一個(gè)智能節(jié)點(diǎn) ， 該節(jié)點(diǎn)以 STC89C52 為現(xiàn) 場(chǎng) 控制器 ， 可以 實(shí)現(xiàn)一個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度的監(jiān) 控 。 系統(tǒng)中 ， 單片機(jī)用到的各引腳與外圍電 路的連接情況為： P07 連接數(shù)據(jù)采集電路 ， P00、 P01 、 P02 以 及 P03 連接 CAN 總線通信模塊 ， P P1 P12 以及 P2 口連接 LCD， P1 P14 和 P15 連接 DS1302， P0 P0 P0 P32 以及 P33 連接鍵盤(pán)電路 ， P34 連接聲光報(bào)警電路 ， P35 連接輸出控制電路 ， P36 和 P37 連接掉 電保護(hù)電路，STC89C52 的最小系統(tǒng)如圖 所示。 圖 單 片機(jī) 最 小 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集電路 本設(shè)計(jì) 中 的數(shù) 據(jù) 采集 電 路是由 多 路模 擬 開(kāi)關(guān) 和 一系列 的 數(shù)字 溫 濕度 傳 感器 DHT21 構(gòu)成的 ， 每個(gè)傳感器都有特 定 的編號(hào) ， 在特定的位置測(cè)量 ， 其電源一直供電 ， 通過(guò)單片 機(jī)控制多路模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通 ， 選擇性讀取具體的某一 個(gè)DHT21 的測(cè) 量 結(jié)果 ， 多路模擬開(kāi) 關(guān)逐個(gè)導(dǎo)通就實(shí)現(xiàn)了循環(huán)數(shù)據(jù)采集。 DHT21 是一款含有 已 校準(zhǔn)數(shù)字 信 號(hào) 輸出的 溫 濕度復(fù)合傳 感 器 ， 它 應(yīng) 用專用的數(shù) 字 模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技 術(shù) ， 確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 。 采 用該款傳感器避免了模擬傳感器帶來(lái)的共地干擾和線路干擾問(wèn)題 ， 同時(shí)也避免了溫度和 濕度分開(kāi)測(cè)量和處理的復(fù)雜和麻煩 ， 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度 ， 提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和 智能化程度，并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。 傳感器包括一個(gè) 電 容 式 感濕元件和一 個(gè) NTC 測(cè) 溫元件，并與一 個(gè) 高 性 能8 位單片機(jī) 相連接 ， 無(wú)需額外部件 。 每 個(gè) DHT21 傳感器 都 在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校 準(zhǔn) ， 校 準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存 在 OTP 內(nèi)存中 ， 傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這 些校準(zhǔn)系數(shù) 。 單線制串行接口 ， 使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快 捷 ， 連接方 便 。 該產(chǎn)品具有品質(zhì) 卓越 、 超快響應(yīng) 、 抗 干 擾能力強(qiáng) 、 性價(jià)比高等優(yōu) 點(diǎn) ， 超小的體積 、 極 低的功耗 ， 較遠(yuǎn)的 信號(hào)傳輸距離 ， 使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選 則 ， 其應(yīng)用領(lǐng)域有 暖通空調(diào) 、 汽車 、 家 電 、 氣象站 、 醫(yī)療 、 濕 度 調(diào)節(jié) 器 、 除濕器 、 數(shù) 據(jù) 記錄 器 、 測(cè)試及檢 測(cè)設(shè)備等，傳感器的實(shí)物 圖 和封裝信息如圖 所示。 圖 DHT21實(shí) 物 及 封裝 圖 DHT21 性能 說(shuō)明 DHT21 的主要性能 指 標(biāo)如表 所示。 表 傳感器性能說(shuō)明 （ 響應(yīng) 時(shí) 間 的 測(cè) 量 條 件 25℃ ， 1m/s 空氣） 參數(shù) 條件 Min Typ Max 單位 供電 電 流 測(cè)量 mA 待機(jī) mA 采樣 周 期 1 2 S 濕度 分辨率 %RH 16 Bit 重復(fù)性 177。1 %RH 精度 25℃ 177。3 %RH 0－ 50℃ 177。5 %RH 互換性 可完 全 互換 響應(yīng) 時(shí) 間 1/e(63%) 2 S 遲滯 177。 %RH 長(zhǎng)期 穩(wěn) 定性 典型值 177。1 %RH/yr 溫度 分辨率 ℃ 16 Bit 重復(fù)性 177。 ℃ 精度 177。 ℃ 量程 范 圍 40 80 ℃ 響應(yīng) 時(shí) 間 1/e(63%) 6 20 S 注 ： 采樣周期不得低于最小值 ， 否則會(huì)引起錯(cuò) 誤 。 建議連 接 線長(zhǎng)度短 于 20 米時(shí)用 5K 上拉 電 阻 ,大于20 米時(shí)根 據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電 阻 。 DHT21 的標(biāo)值供電電 壓 為 5V， 傳感器上電后 ， 要等待 1s 以越 過(guò) 不穩(wěn)定狀態(tài)在此期 間無(wú)需發(fā)送任何指令 。 電源引 腳 VDD 電源正 極 ，供電 ， GND 電源負(fù)極，接 地，這兩個(gè)引腳之 間 可增加一個(gè) 100nF 的電 容 ，用以去耦濾 波 。 DATA 引 腳 是 串 行 數(shù)據(jù) 接 口，用 于