【正文】 這兩個敏感元件分別將濕度和 溫度轉(zhuǎn)換成電信號 ， 該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大 ， 然后進入一個 14 位的 A/ D 轉(zhuǎn)換器 ， 最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。 SHT11(溫濕度傳感器 )傳感器 描述 溫濕度傳感器 SHT11 將溫度感測、濕度感測、信號變換、 A/ D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上 ， 其內(nèi)部結構如圖 410 所示。微小的體積、極低的功耗，使其成為應用的首選。主要特點如下：高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、 A/D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上，提供二線數(shù)字串行接口 SCK 和 DATA，接口簡單，支持 CRC 傳輸校驗，傳輸可靠性高；測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置 A/D 換器 (分辨率為 8～ 12 位，可以通過對芯片內(nèi)部寄存器編程選擇 )；測量精確度高，由于同時集成溫濕度廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 33 傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算功能；封裝尺寸超小 ( mm mm)，測量和通信結束后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式；高可靠性，采用 CMOSens 工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。 方案二 ： 使用溫度和濕度集成在一個芯片上的傳感器 SHT11， SHT11 是瑞士 Ssirion 公 司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。下面對幾種方案進行一下比較： 方案一 ： 采用分立的溫度和濕度傳感器，其中溫度傳感器可以采用溫敏電阻，濕度傳感器可以采用濕敏電容，這樣傳感器部分的價格比較低，但是外圍電路比較復雜，并且包含小信號的處理為設計增加了難度，同時溫度和濕度的測量精度不高。圖 49 為一路步進電機驅(qū)動控制電路。本設計采用的是 4 相步進電機，工作電壓 +24V，用共陰極的接法。因此 GAL 后接一片 ULN20xx，它是 8 路達林頓驅(qū)動芯片，它的最大輸出電流達到 500mA。它的參數(shù)如表 41。 CLK 作為 GAL 的時鐘輸入端，通過調(diào)整 CLK 的頻率可以改變步進電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度 ； DIR DIR2作為步進電機脈沖的方向控制端，當 DIR DIR2 步進脈沖為AABBBCCCDDDA 時，步進電機正轉(zhuǎn)，當 DIR DIR2 步進脈沖為DDCCCBBBAAAD 時，步進電機反轉(zhuǎn)； RST 用來使步進電機 回 到“零”位置。因此在本系統(tǒng)中采用 GAL 作為脈沖分配器來驅(qū)動電機。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅(qū)動器。 步進電機控制 (包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配 )也可以使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本?，F(xiàn)在，脈沖分配器己經(jīng)標準化、芯片化，市場上可以買到。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 （ 3） 控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。因此在很多情況下，四相步進電機采用四相八拍工作方式。而矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進電機啟動轉(zhuǎn)矩就大，運行不易失步。它的時序控制如圖 47 所示。其基本原理作用如下 ： （ 1） 控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。 步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。 速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)， 在 低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。 由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價、又非?？煽?。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是 通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。近 30 年來，數(shù)字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，推動了步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的前景。其中單片機是為脈沖分配器提供脈沖信號的和控制信號的 ； 脈沖分配器將單片機送過來的脈沖按照預先設定好的邏輯時序進行分配 (比如四相八拍的步進方式 )； 脈沖放大器是為了將從脈沖分配器輸出的電壓較低的信號放大強化并送入光電 耦 合器，將單片機的電源和步進電機的電源隔離開， 脈沖再次經(jīng)過功率放大最后送入到步進電機繞組，步進電機開始運行。當然，也完全可以將 MAX7219 的一部分用于條形圖顯示，一部分用于其他顯示 (如數(shù)字和字母等 )。當多片 MAX7219 級聯(lián)時，可控制更多的 LED。它內(nèi)含硬件動態(tài)掃描顯示控制，每枚芯片可驅(qū)動 8 個 LED 數(shù)碼管。其中， 74HC260 是或非門，沒有鍵按下的時候， 74HC260 的 IN 輸入端為低電平，經(jīng)或非以后輸出端為高電平， CPU 不響應中斷 ； 一旦有鍵按下 74HC260 輸入端為高電平，經(jīng)或非輸出端為低電平， 這時 CPU 響應外部中斷，按鍵事件發(fā)生按照廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 26 系統(tǒng)的方案要求，設置了基于外部中斷 0 的五個按鍵， S1~S5 分別代表設置鍵、增加鍵、減少鍵、查詢鍵、設定鍵。 同時，這種方式也可節(jié)省不少 CPU 時間，在沒有按鍵觸發(fā)的時候， CPU 只處理與按鍵無關的事件，當有按鍵按下， CPU 就會及時響應外部中斷，進入中斷服務程序?qū)Π存I事件進行處理，處理完畢立即返回主函數(shù)，相對于查詢方式的按鍵設計具有更高的實時性和可靠性。同時在系統(tǒng)板上單片機、晶振、關鍵芯片位置處布置 104 的電容隔離 5V 和地，起到 去耦 作用，有效去除振蕩信號的干擾。 圖 42 引腳配置 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 25 電源轉(zhuǎn)換電路的設計 電源是系統(tǒng)的重要組 成部分， 電源模塊 提供開發(fā)板的工作電源，同時通過擴展口為擴展系統(tǒng)提供電源。 A T m e g a 1 61 w i r e 總 線數(shù) 碼 管 顯 示驅(qū) 動 控 制 電 路驅(qū) 動 控 制 電 路驅(qū) 動 控 制 電 路脈 沖 分 配驅(qū) 動 控 制步 進 電 機步 進 電 機風 門 1風 門 2R S 2 3 2鍵 盤聲 光 報 警參 數(shù) 儲 存溫度采集濕度采集排 濕 氣 扇熱 鼓 風 機循 環(huán) 風 機 圖 41 系統(tǒng)硬件組成框圖 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 24 單片機芯片的選用 本系統(tǒng)采用 ATMEL 公司的 Atmega16 單片機，它有如下特點 ： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié)EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 /計數(shù)器 (T/C)， 片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP 封裝 )的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。實際控制過程中，可以對該表進行優(yōu)化，根據(jù)查表的結果求出控制量，去控制或驅(qū)動執(zhí)行機構，實現(xiàn)對溫室溫度的智能控制。 圖 37 控制量的隸屬函數(shù) 在本課題中，用與本章前面溫濕度解 耦 中由模糊控制規(guī)則表求取模糊控制查詢表相同的方法和步驟，可得到溫室溫度的模糊控制查詢表。選取語言變量 U 的論域為 ： {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}。 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 21 表 38 溫度偏差 E與偏差變化率 EC 隸屬度賦值表 E/EC 變量 4 3 2 1 0 1 2 3 4 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 1 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 Z 0 0 0 1 0 0 0 PS 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 1 PB 0 0 0 0 0 0 0 1 控制量輸出采用棒形隸屬函數(shù)，棒形隸屬函數(shù)是其它隸屬函數(shù)幅度為零的特例。根據(jù)實際控制經(jīng)驗，溫度偏差 E、溫度偏差變化率 EC 形狀如圖 36 所示。選取語言變量 E、 EC 的論域均為 ： {4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3， 4}。 將溫度誤差的基本論域定為 [5℃， 5℃ ]，溫度誤差變化的基本論域定為[1℃， +l℃ ]為提高控制精度和響應速度，將溫度的控制范圍分為模糊控制區(qū)和確定控制區(qū)，以溫度 誤差范圍 為界 ， 溫度 誤差在規(guī)定范圍 以內(nèi)為模糊控制區(qū)，以外為確定控制區(qū)。 在本課題中，根據(jù)溫室環(huán)境溫度控制的特點，采用兩輸入 — 輸出的模糊控制方法 。本課題采取以溫度控制為主、濕度控制為輔的策略，分別采用模糊控制方法對溫度和濕度進行控制。 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 20 溫濕度模糊控制 溫濕度的 耦 合解開后，系統(tǒng)的控制問題進而轉(zhuǎn)換成兩個單變量控制的問題，即溫度的單回路控制和濕度的單回路控制。制成如表 36所示的模糊控制決策表。 表 36 溫度補償 cT 模糊決策表 U EH 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 ET 5 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 4 1 1 1 1 2 2 2 3 3 4 4 3 0 0 0 0 1 1 2 2 2 3 3 2 0 0 0 0 0 0 1 2 2 2 3 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3 3 2 2 1 1 1 0 0 0 0 2 4 4 3 3 3 3 2 1 1 1 1 3 4 4 3 3 3 3 2 2 5 2 2 4 4 4 4 4 4 4 3 3 5 2 2 5 5 5 5 5 4 4 4 4 3 3 3 表 37 濕度補償 cH模糊決策表 U EH 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 ET 5 5 4 4 4 3 2 2 1 1 0 0 4 4 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 3 4 4 3 3 2 1 1 0 0 0 0 2 3 4 3 3 1 1 1 0 0 0 0 1 1 3 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 3 2 0 0 1 1 1 2 3 3 3 4 4 3 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 4 2 2 2 3 3 3 4 4 5 5 5 5 2 2 3 3 4 4 4 5 5 5 5 第七步，本文在反模糊化設計中采用了常用的最大隸屬度法。 T 的隸屬函數(shù)賦值表中取出 PS，對應的向量，并記作 C，即： )0,0,1,0,0,0,0,0(?c 第五步，求 CrR ??1 得到一個 11121? 的矩陣。即： )0,0,0,0,0,0,0,1(?B 第二步，求 BA? ，得到一個 1111? 的矩陣。 清晰化處理 由模糊控制規(guī)則表求取模糊控制查詢表步驟如下 (以溫度為例 ) 以第一條模糊控制規(guī)則為例， 可表示 ： If eT = NB and eH=NB then eT=PS 第一步，從 eT 的隸屬函數(shù)賦值表中取“ NB”對應的向量，并定義為 A。至此溫濕度 的耦 合關系己清晰。這樣以來溫度上來了，所以相對濕度會有所下降，相對濕度可能會更低，所以需要對濕度回路控制量進行 中 補。 表 35 濕度補償 cH模糊規(guī)則表 ET EH NB NM NS Z PS PM PB NB PB PS PS Z NS NM NB NM PB PS PS Z NS NM NB NS PM PS Z Z NS NM NB Z PM PS Z Z NS NM NB PS PS PS Z Z NS NM NB PM PS PM Z Z NS NM NM PB PS PM Z Z NS NM NB 從 表 34 和表 35 中取一條規(guī)則來分析，例如 ： 如果 eT = NB AND eH = NS，那么 cT = PB AND cH = PM；從此條規(guī)