【文章內(nèi)容簡介】 采用集成的智能溫濕傳感器芯片測量。集成傳感器芯片內(nèi)部自帶有信號放大電路。放大電路是提高單片機(jī)對信號進(jìn)行識別的有效方法，而且在復(fù)雜電路的各種設(shè)計領(lǐng)域中是最常用也是必須要采用的方法。由溫濕度傳感器檢測到的溫濕度信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后通過 IIC 總線輸入通道傳送給 TQ2440 開發(fā)板。為了提高測量的精度，提高信號的轉(zhuǎn)換質(zhì)量，作為模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的 A/D轉(zhuǎn)換器，對其本身的性能要求也很高，因此傳感器芯片內(nèi)要有性能良好的 A/D轉(zhuǎn)換器。作為 智能化的檢測儀器，顯示使人們直觀的觀看到測量到的溫度和濕度的值。在本設(shè)計系統(tǒng)中，正常情況下，顯示電路可以實(shí)時的顯示室內(nèi)的溫度和濕度。 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)生活環(huán)境，設(shè)計本產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)為： (1) 測溫范圍： 0— 50186。C ； (2) 濕度測量范圍： 0— 63%Rh； (3) 溫度測量精度：177。 2186。C ； (4) 濕度測量誤差：177。 5%Rh； (5) 電源工作范圍： ～ 。 鎬京學(xué)院后勤倉庫信息 Web監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 5 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)所用開發(fā)板 TQ2440簡介 TQ2440 開發(fā)板提供 ARM9 硬件軟件以及操作系統(tǒng)的使用平臺，根據(jù)自身需要，可以選擇 不同的操作系統(tǒng)并進(jìn)行軟硬件的搭配。 TQ2440開發(fā)板上的電壓設(shè)計采用 5V輸入實(shí)驗(yàn)板，板上帶電源開關(guān)和指示燈，經(jīng)可帶載 的低電壓差線性穩(wěn)壓源 ，提供給實(shí)驗(yàn)板所需要的 電源。在核心板上 CPU 內(nèi)核電壓 （ ） 采用低噪聲、低壓差線性穩(wěn)壓源MAX8860EUA穩(wěn)壓芯片。 TQ2440硬件說明 TQ2440開發(fā)板包括電源電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘電路、 JTAG接口電路、串口電路等19 個電路。針對本次設(shè)計，主要用到了 GPIO擴(kuò)展接口電路，在這個接口電路中多 數(shù)引腳都是復(fù)用的，可以根據(jù)自身的需要選擇是 GPIO口功能還是復(fù)用功能。 TQ2440軟件說明 利用 TQ2440開發(fā)板可以在 Linux、 WinCE還有 Windows平臺上進(jìn)行操作，此次設(shè)計使用的是 Linux操作平臺，在這個基礎(chǔ)上，需要建立交叉編譯環(huán)境然后才能進(jìn)行驅(qū)動程序的燒寫。 系統(tǒng)概述 該溫度控制系統(tǒng)主要由模擬電路，主控制電路，數(shù)據(jù)存儲模塊，輸入輸出模塊，通訊模塊等組成。主控制電路由 ARM 及其外圍電路組成，是溫度控制系統(tǒng)的核心部分，完成整個系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)傳輸與存儲和信號的處理等工作處理 器對模擬電路采集進(jìn)來的模擬量進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時溫度數(shù)據(jù)，由控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的數(shù)字控制量經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后通過輸出電路對溫度進(jìn)行控制。處理器在數(shù)據(jù)處理過程中會將歷史數(shù)據(jù)存入 NandFlash 中，并可通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與其他 PC 機(jī)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。 溫濕度傳感器 不管是我們?nèi)粘＞幼∩畹姆块g，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等領(lǐng)域，經(jīng)常需要對所處環(huán)境的溫濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的 系統(tǒng)硬件設(shè)計 6 一個參數(shù)。一般情況下，室內(nèi)室外環(huán)境中的溫度都在－ 20— ＋ 45℃之間 ，所以選用智能化的集成溫濕度傳感器芯片 DHT11，足以滿足我們的設(shè)計要求。 日常生活中所指的濕度為相對濕度，用％ RH 表示?？偠灾瑵穸燃礆怏w中 (通常為空氣中 )所含水蒸氣量 (水蒸氣壓 )與相同情況下所含飽和水蒸氣 (飽和水蒸氣壓 )的百分比。濕度傳感器是指檢測外界環(huán)境濕度的傳感器，它將所測環(huán)境中的濕度信號轉(zhuǎn)換為便于處理，顯示，記錄的電（頻率）信號。濕度傳感器在倉貯，工業(yè)生產(chǎn)，過程控制，環(huán)境監(jiān)測，家用電器，氣象等方面有著廣泛的應(yīng)用。溫度傳感器是指檢測外界溫度的傳感器，它將所測環(huán)境中的溫度信號轉(zhuǎn)換為便于處理，顯示，記 錄的電（頻率）信號等，在很多領(lǐng)域都有普遍的應(yīng)用。 濕度、溫度傳感器是本設(shè)計中核心的器件，其感濕感溫特性直接決定了本設(shè)計的性能指標(biāo)。濕度傳感器的種類有很多，大致可以分為物性型，結(jié)構(gòu)型，其他形式三大類。物性型包括電解質(zhì)系，半導(dǎo)體及陶瓷系，聚合物系；結(jié)構(gòu)型包括毛發(fā)型，腸膜型；其他形式包括干濕球式，石英振子式，種子法式等等。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類。前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來檢測被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離。檢測從待測物體放射出的紅外線 ，從而達(dá)到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比之下運(yùn)用較多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用。目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要是熱電傳感器。它是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參數(shù)隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱熱電阻傳感器，金屬熱電阻式傳感器簡稱熱電阻，半導(dǎo)體熱電阻式傳感器簡稱熱敏電阻，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化的稱為熱電偶傳感器。 近年來，國內(nèi)外在溫濕傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。溫濕敏傳 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，為開發(fā)新一代濕度 /溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度溫度測量技術(shù)提高到新的水平。智能溫濕度傳感器（亦稱數(shù)字溫濕度傳感器）是在20 世紀(jì) 90 年代中期問世的。智能溫濕度度傳感器是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動化測試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成溫濕度傳感器領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。智能溫濕度度傳感器內(nèi)部都包含溫濕度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器（或寄存器）和接口電路。智能溫濕傳感器芯片具有三個顯著特點(diǎn)：第一，能輸出溫濕度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫濕度控制量， 適配各種微控制器；第二，能以最簡方式構(gòu)成高性能、多功能的智能化溫濕度測控系統(tǒng)；第三，它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測試功能的。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y量濕度要比測量溫度復(fù)雜的多，溫度是個獨(dú)立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強(qiáng)、溫度）的影響。因此本設(shè)計選用智能溫濕度傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)溫濕度測量系統(tǒng)的智能化設(shè)計。 溫濕測量相關(guān)概念 濕度和溫度很久以前就與人類生活存在著密切的關(guān)系，但用數(shù)量來進(jìn)行表示較為困難。濕度鎬京學(xué)院后勤倉庫信息 Web監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 7 計測的歷史可以追溯到中 國的天秤型 (公元前 179 年 )，這是最早的濕度計測。溫度計測可追溯到記載的希臘時代的溫度計?，F(xiàn)代科學(xué)對溫濕度做明確的定義和測量表示方法。 絕對濕度：單位體積（ 1m3）的氣體中含有水蒸氣的質(zhì)量（ g）。但是，即使水蒸氣量相同，由于溫度和壓力的變化氣體體積也要發(fā)生變化。 相對濕度：氣體中所含的水蒸氣（ e）與氣體飽和時所含的水蒸氣（ es）的比，用百分比表示。但是，溫度和壓力的變化導(dǎo)致飽和水蒸氣氣壓也將隨之而變化。通常在工作和生活中我們使用的濕度即為相對濕度。 飽和水蒸氣壓（ Saturation Vapor Pressure）：氣體中所含水蒸氣的量是有限度的，達(dá)到限度的狀態(tài)即可稱之為飽和，此時的水蒸氣壓即稱為飽和水蒸氣壓。此物理量亦隨著溫度，壓力的變化而變化，通常所采用的是與水共存的飽和水蒸氣壓。 露點(diǎn)：溫度較高的氣體其所含水蒸氣也較多，將此氣體冷卻后，其所含水蒸氣的量即使不發(fā)生變化，但相對濕度也會增加。當(dāng)達(dá)到一定溫度、相對濕度達(dá)到 100%飽和，此時，繼續(xù)進(jìn)行冷卻的話，其中一部分的水蒸氣將凝聚成露。此時的溫度即為露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)在 0℃以下結(jié)冰時即為霜點(diǎn)。 溫濕度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器和 HOS201 濕敏傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量，而 HOS201 濕敏傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機(jī)相連接。每個 DHT11 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)以程序的形式儲存在 OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá) 20 米以上，該傳感器為 4 針單排引腳封裝，連接方便。 比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度還有測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性，而第二個方案操作簡單，元件功能更有效且波動性小，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計的溫濕度傳感器。 DHT11連接接口說 明 DHT11數(shù)字濕溫度傳感器連接電路簡單，只需要占用控制器一個 I/O口即可完成上下位的連接。另外，連接線長度短于 20 米時用 5K 上拉電阻，大于 20 米時根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻，如圖 31所示： 系統(tǒng)硬件設(shè)計 8 圖 31 DHT11 連接電路 DHT11的數(shù)據(jù)格式及處理 數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。即，單個數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由 5Byte（ 40Bit）組成。一次通訊時間最大 3ms，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明。 DATA 用于微處理器與 DHT11之間的 通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為 0。 操作流程：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit，高位先出。 數(shù)據(jù)格式： 8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗(yàn)和，校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加。 鎬京學(xué)院后勤倉庫信息 Web監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 9 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計簡述 本控制系統(tǒng)開始運(yùn)行時，先初始化各個部件，然后調(diào)用各個子模塊的功能函數(shù)，如模糊控制子程序，計算機(jī)顯示，之后 DHT11根據(jù)控制信號的變化做出相應(yīng)的控制。 由于溫度變化規(guī)律性不強(qiáng)，要求被檢測對象的 溫度具有非線性、 熱慣性、 時變性等特點(diǎn)，要建立精確的數(shù)學(xué)模型非常困難。采取模糊控制方法，可以不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制能夠依據(jù)工作人員的控制經(jīng)驗(yàn)，將其轉(zhuǎn)化抽象為一系列的控制，并且借助于計算機(jī)完成控制過程，具有控制動態(tài)響應(yīng)好、超調(diào)小、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。 通信設(shè)備在長期運(yùn)行工作期間，機(jī)器溫度控制在 18 25℃ 之間，相對濕度保持在 40~ 60 %Rh較為適宜。溫度控制程序有 2個輸入數(shù)據(jù)和 1個輸出數(shù)據(jù)。 e為溫度偏差， e為溫度變化率， u 為輸出控制變量，其值分別為 e= { P L ， PM， PS ， 0 ， NS ， NM， NL)， u = { P L ， PM， PS ，O， NS， NM， NL)。 其中， PL表示負(fù)大 ； PM 表示負(fù)中 ； PM 表示負(fù)小 ； NS 表示正小 ； NM表示正中 ； NL表示正大。 建立交叉編譯環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)由于本身的資源限制，一般需要在 PC 平臺生成自己的可執(zhí)行代碼?；?Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主 PC 機(jī)所構(gòu)成。目標(biāo)硬件開發(fā)板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件，而目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試則是通過宿 主 PC 機(jī)完成。 本文的交叉編譯環(huán)境的構(gòu)建通過以下幾個部分實(shí)現(xiàn)： (1) 準(zhǔn)備開發(fā)主機(jī)。移植嵌入式 Linux系統(tǒng)，需要一臺裝有 Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)主機(jī)，在開發(fā)主機(jī)上編譯、移植 Bootloader 和 Linux內(nèi)核。本文采用一臺安裝有紅帽公司的 Red Hat Linux9． 0操作系統(tǒng)的 PC 機(jī)作為開發(fā)主機(jī)。在安裝時需要確保計算機(jī)的網(wǎng)卡驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)通信配置正常。安裝好 Trip 服務(wù)器，修改 Trip 配置文件 ／ etc／ ／ trip， Trip 是目標(biāo)板下載影像所需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 (2) 下載交叉編譯工具。由于開 發(fā)主機(jī)的 x86體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)機(jī)的 ARM體系結(jié)構(gòu)的差別，在開發(fā)主機(jī)上的系統(tǒng)中自帶的針對 x86 體系的編譯器無法生成 ARM結(jié)構(gòu)上可以運(yùn)行的代碼，為了能在開發(fā)主機(jī)上生成基于 ARM 體系結(jié)構(gòu)的程序，必須使用交叉編譯工具鏈來編譯程序。交叉編 系統(tǒng)硬件設(shè)計 10 譯環(huán)境由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)核及應(yīng)用程序的組件構(gòu)成。這些組件包括： 鎬京 學(xué)院后勤倉庫信息 Web監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 11 1） Binutilr_用于操作二進(jìn)制文件的實(shí)用程序集合。它們包括諸如 ai、 as、 objdump、 objcopy這樣的實(shí)用程序。 as 為匯編編譯器， objdump可以反編譯二進(jìn)制文件。 2） Gcc編譯器。包括交叉編 譯器 ，它是最重要的開發(fā)工具，它將源文件編譯成目標(biāo)文件；連接工具 ：調(diào)試工具 gdb。 3） C++編譯器。 4） Glibe一所有應(yīng)用程序都將鏈接到的 C／ C++庫。避免使用任何 C／ C++庫函數(shù)的內(nèi)核和其它應(yīng)用程序可以在沒有該庫的情況下進(jìn)行編譯。整個的交叉編譯過程包含下載源代碼、升級補(bǔ)丁、配置、編譯、設(shè)置頭文件、安裝等操作。這些工具的開發(fā)流程如下：編寫 C 或 C++源程序代碼；用 ；編寫連接腳本；用連接器