【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單片機(jī) I/O 口連接即可。使用電容式濕度傳感器 HS1101 檢測(cè)濕度，空氣的相對(duì)濕度通過 555 測(cè)量振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成線性關(guān)系的頻率信號(hào)，即測(cè)得頻率值即可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的濕度值。在本系統(tǒng)中，采用 LM016L 作為顯 示單元。 LCD 液晶顯示器具有功耗低、壽命長(zhǎng)、無輻射、不易引起視覺疲勞等優(yōu)點(diǎn)，正在被廣泛應(yīng)用于儀表、家用電器、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器及交通和通信領(lǐng)域。在一個(gè)糧庫(kù)中，被測(cè)量的 8 個(gè)點(diǎn)可以在上位機(jī)的顯示單元上滾動(dòng)顯示溫濕度值。 當(dāng)溫度或濕度超過閾值時(shí)，下位機(jī)的警報(bào)聲響，并在上位機(jī)系統(tǒng)的 LCD 顯示屏上顯示相應(yīng)的溫度、濕度值，引起工作人員注意，從而采取通風(fēng)等措施。上位機(jī)的鍵盤模塊采用 44 鍵盤，可以更改設(shè)定的溫濕度閾值。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上由下到上分兩級(jí)，第一級(jí)是下位 機(jī)，即前端采集系統(tǒng)；第二級(jí)是上位機(jī)。下位機(jī)由單片機(jī)、溫濕度傳感器和報(bào)警模塊組成，其任務(wù)是完成糧庫(kù)中各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫濕度的測(cè)量，并且通過串行通信的方式向上位機(jī)傳送測(cè)量數(shù)據(jù)，溫濕度超過閾值可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)糧庫(kù)的不同方位溫濕度值的循環(huán)采集，并對(duì)其進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)。用戶可通過上位機(jī)上的鍵盤輸入溫濕度的閾值，從而顯示從下位機(jī)接收來的數(shù)值。下位機(jī)與上位機(jī)之間通過 RS485 串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸。 此系統(tǒng)下位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，由 AT89C51 主控芯片，溫、濕度檢測(cè)模塊，上 下位機(jī)通信模塊以及報(bào)警模塊等幾部分組成。溫、濕度檢測(cè)模塊使用數(shù)字傳感器。 DS18B20 測(cè)量糧庫(kù)的溫度，濕度傳感器 HS1101 測(cè)量濕度。其中外圍設(shè)備采用 RS485 串行通信接口方式和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換，用以實(shí)現(xiàn)向用戶發(fā)送信息。該系統(tǒng)采用單片機(jī)機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)控單元。用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作處理等功能本設(shè)計(jì)將整個(gè)系統(tǒng)分為兩級(jí)結(jié)構(gòu)：上位機(jī)和下位機(jī)。由于這是針對(duì)一個(gè)小型糧庫(kù)，所以一臺(tái)上位機(jī)控制 8 個(gè)點(diǎn)，即控制 8 個(gè)下位機(jī)。一個(gè)下位機(jī)測(cè)量一個(gè)溫濕度值。 系統(tǒng)總體框圖如下： 顯示模塊 上位機(jī) 鍵盤模塊下位機(jī)1 下位機(jī)8溫度檢測(cè) 濕度檢測(cè) 報(bào)警模塊 溫度檢測(cè) 濕度檢測(cè) 報(bào)警模塊RS485串行通信 圖 系統(tǒng)總體框圖 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 下位機(jī)系統(tǒng) 下位機(jī)即為前端采集系統(tǒng)，由單片機(jī)和各種傳感器組成，其任務(wù)是完成糧庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集與處理，并通過總線同上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。通常糧庫(kù)面積比較大，故需多個(gè)下位機(jī)進(jìn)行糧庫(kù)中不同方位的溫濕度信息的采集。每個(gè)下位機(jī)有其唯一的地址（可由用戶自行設(shè)置）。假設(shè)該糧庫(kù)共有 1 個(gè)糧庫(kù)，在每個(gè)糧庫(kù)中要安裝多個(gè)溫濕度傳感器，分布在該糧庫(kù)的重要位置，每個(gè)溫濕度傳感器實(shí)際上是一個(gè)終端設(shè)備，也是該系統(tǒng)中的重要關(guān)鍵的設(shè)備。在每個(gè)設(shè)備中都有一個(gè)新型的溫度傳感器和濕度傳感器，用于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度，并將測(cè)量的溫度濕度值，發(fā)送到上位單片機(jī)上，以 便控制整個(gè)糧庫(kù)的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度濕度加以全面監(jiān)視和控制管理。 下位機(jī)結(jié)構(gòu)圖如下： 上 位 機(jī) 通 信 接 口下位機(jī)溫 度 檢 測(cè)濕 度 檢 測(cè)報(bào) 警 電 路R S 4 8 5 圖 下位圖組成結(jié)構(gòu)圖 上位機(jī)系統(tǒng) 上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)糧庫(kù)的不同方向濕度的循環(huán)采集，并對(duì)其進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。用戶可通過上位機(jī)上的鍵盤輸入各環(huán)境參量的閾值，從而把從下位機(jī)接收來的數(shù)值在 LCD 顯示屏上顯示出來。上位機(jī)仍由單片機(jī)擔(dān)任，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)以及溫濕度值顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的統(tǒng)一管理。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過 RS485總線方式連接。 上位機(jī)定時(shí)向下位機(jī)發(fā)出讀取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)命令。下位機(jī) 接收到命令后，將存儲(chǔ)在RAM 中的的數(shù)據(jù)通過串行口上傳給上位的單片機(jī)，上位機(jī)機(jī)接收到并校驗(yàn)無誤后，更新EEPROM 中相應(yīng)位置的保存數(shù)據(jù)并顯示在與其相連的 LCD 上，并將報(bào)警信息存儲(chǔ)所有的命令和數(shù)據(jù)傳輸都制定了嚴(yán)格的通信協(xié)議，采取了數(shù)據(jù)校驗(yàn)，大大提高了傳輸?shù)目煽啃浴? 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 下位機(jī)系統(tǒng)硬件 電路 設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)模塊 通常糧情檢測(cè)系統(tǒng)主要選用熱敏電阻、數(shù)字式溫度傳感器、光纖溫度傳感器作為溫度傳感器，也有的選用其它溫度傳感器 [2]。常見的溫度傳感器有以下幾種： 1. 熱敏電阻 以溫度變 化導(dǎo)致阻值的變化為工作原理的熱敏電阻，因其具有成本低、體積小、簡(jiǎn)單、可靠、響應(yīng)速度快、容易使用等特點(diǎn)，在多項(xiàng)溫度測(cè)量應(yīng)用中受到廣泛歡迎，也是國(guó)內(nèi)糧情測(cè)控系統(tǒng)中采用最多的溫度傳感器。熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)較高，因此其自身發(fā)熱較小，信號(hào)調(diào)節(jié)較為簡(jiǎn)單。熱敏電阻的缺點(diǎn)是互換性差，溫度與輸出阻值之間呈非線性關(guān)系[3]。熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻兩種，但在溫度測(cè)量應(yīng)用中，正溫度系數(shù)熱敏電阻較少得到采用，更多采用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 131。 2. 數(shù)字式溫度傳感器 數(shù)字式溫度傳感器的種類也不少， 但用于糧情測(cè)控系統(tǒng)的溫度傳感器主要是 Dallas 的DS18x20 系列溫度傳感器，其溫度檢測(cè)范圍為 55℃ ~ +l25℃，檢測(cè)精度為士 ℃。 Dslsx20采用 1 一 WireTM 接口，封裝形式有 PR35 和 SSOP16 兩種，糧情測(cè)控系統(tǒng)中采用的是RP 一 35 封裝。 DS18Zxo 采用 9 個(gè)位表示測(cè)溫點(diǎn)的溫度值，每個(gè) DS18x20 內(nèi)部都設(shè)置有一個(gè)單一的序列號(hào)，因此可以使多個(gè) DS18x20 共存于同一根數(shù)據(jù)傳輸線上。 Dsl8x20 內(nèi)部分為 4 個(gè)部分： 64 位序列號(hào)，保存臨時(shí)數(shù)據(jù)的 8 字節(jié)片內(nèi) RAM，保存永久數(shù)據(jù)的 2 字EEPROM，溫度傳感器 [4]。 3. 光纖傳感器 光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展的新技術(shù)，也是工業(yè)中用的最多的光纖傳感器之一。目前研究的光纖溫度傳感器主要有輻射式溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器等。光纖溫度傳感器的精度更高，但成本較貴。 DS18B20 是新型單總線數(shù)字溫度傳感器，單總線顧名思義只有一根數(shù)據(jù)線，它可以將測(cè)量到的溫度結(jié)果以串行數(shù)字信號(hào)輸出，易與微控制器連接。 DS18B20 片內(nèi)有唯一的 64位序列號(hào)，所以可以在一根總線上掛接任意多個(gè) DS18B20，這樣就可以很方便地構(gòu)成單線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)。 DS18B20 的工作電壓為 +5V，可以通過 DS18B20 的電源引腳進(jìn)行供電，寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 也可以通過 DS18B20 的數(shù)據(jù)線進(jìn)行寄生供電。 DS18B20 進(jìn)行一次溫度采集至多需要大約 1 秒鐘的時(shí)間，在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中能夠滿足需要。 DS18B20 內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)暫存 RAM 和一個(gè)非易失性電可擦除 EERAM。其中暫存存儲(chǔ)器作用是在單總線通信時(shí)確保數(shù)據(jù)的完整性，它包括 8 個(gè)字節(jié)，頭兩個(gè)字節(jié)為轉(zhuǎn)換的溫度讀數(shù)。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 有三個(gè)引腳，分別是 VCC， GND， DATA。其中 VCC 和 GND 是 DS18B20 的供電引腳，接入 +5V 電源和地。 DATA 是 DS18B20 的數(shù)據(jù)線，用來傳送指令和溫度數(shù)據(jù)。 DS18B20 引腳圖見圖 。 DS18B20 測(cè)溫原理如下圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值將加 l，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 l 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈 沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。下圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 斜 率 累 加 器預(yù) 置低 溫 度 系數(shù) 振 蕩 器高 溫 度 系數(shù) 振 蕩 器計(jì) 數(shù) 器 1計(jì) 數(shù) 器 2= 0= 0溫 度 寄 存 器預(yù) 置比 較+ 1停 止設(shè) 置 / 清除 L S B 圖 DS18B20 測(cè)溫原理圖 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 DS18B20實(shí)物圖 此系統(tǒng)的溫度檢測(cè)模塊根據(jù)糧庫(kù)面積的大小可增加多處檢測(cè)點(diǎn)，而數(shù)字溫度傳感器DS18B20 就具有支持多點(diǎn)組網(wǎng)的功能，可將多個(gè) DS18B 20 并連在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)，其測(cè)溫范圍為 55～ +125℃，固有測(cè)溫分辨率為 ℃，工作電源為 DC 3～ 5 V，測(cè)量結(jié)果以 9～ 12 位數(shù)字量的方式串行傳送。系統(tǒng)采用美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20，它是世界上第一片支持“單總線”接口的數(shù)字式溫度傳感器，能夠直接讀取被測(cè)物的溫度值。 DS18B20 的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，在系統(tǒng)上電時(shí)首先要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器 (單片機(jī) )給 DS18B20 單總線至少 480us 的低電平信號(hào)。當(dāng) DS18B20 接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在 15us～ 60us 后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在 15us～ 60us 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個(gè) 60us～ 240us 的低電平信號(hào)。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來將會(huì)是控制器與 DS18B20 間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時(shí)間不足或是單總線的電路斷路都不會(huì)接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意意外情況的處理。 DS18B20 與 AT89C51的接線如圖 所示： 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 DS18B20 測(cè)溫電路圖 濕度檢測(cè)模塊 近年來，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得 了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度崛度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平 [5]。常見的濕度傳感器有以下幾種： 1. 濕敏元件 濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)， 元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是 靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。 濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比 .濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家有 Humire 公司、 Phlip 公司、 Siemens公司等。當(dāng)相對(duì)濕度從 0 變化到 100%時(shí)，電容量的變化范圍是 163pF 一 202pF。溫度系數(shù)為 ℃，濕度滯后量為士 %，響應(yīng)時(shí)間為 5S。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 2. 集成濕度傳感器 目前，國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器有以下幾種： （ 1）線性電壓輸出式集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品有 HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì) 濕度成比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。 （ 2）線性頻率輸出式集成濕度傳感器 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(shí)的輸出頻率為 8750Hz，當(dāng)相對(duì)濕度從 10%變化到 95%時(shí)，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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。 （ 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(hào)輸出端，利用 負(fù)溫度系數(shù)加 TC 熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，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(cè)量出溫度值 [6]。 本系統(tǒng)選用 HSl101 濕度傳感器來測(cè)量糧庫(kù)中的相對(duì)濕度，下面我簡(jiǎn)要介紹一下HSl101。它具有如下特點(diǎn)：不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)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(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常用兩種方法 :一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與阻容組成的橋式 振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再經(jīng) A/D