【正文】 的缺點(diǎn)，具有較高的測溫上限。由于受物體的發(fā)射率、被測對(duì)象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的 介質(zhì)的影響，這種方法一般測溫誤差較大。但是這兩種方法都難以用于 自動(dòng)化測控系統(tǒng)的現(xiàn)場傳感測量，工程技術(shù)中常采用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度表 示法和相應(yīng)的測量技術(shù)。相對(duì)濕度測量主要用于要求保持一定濕度氣氛的紡織、薄膜生產(chǎn)等行業(yè)，武器 裝備封存、倉儲(chǔ)等場所，防止材料的腐蝕、霉變主要依賴于相對(duì)濕度控制。 溫濕度傳感器的選取要考慮用何種原理的傳感器，首先要看所進(jìn)行的具體測量工作，這需要分析多方面 的因素之后才能確定。在考慮上述問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)。這 些參數(shù)并不是要求越高越好，因?yàn)橐笤礁卟粌H會(huì)帶來成本的提高，也會(huì)帶來信號(hào)處理 的難度，噪音等問題。傳統(tǒng)的現(xiàn)場溫濕度檢測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)線性修正等過程來完成。為提高測量精度， 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。本系統(tǒng)中，我采用集溫度、濕度測量于一體的數(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)測量或讀取時(shí)引起的沖突，簡單方便，快 速高效，經(jīng)濟(jì)耐用。DHT21 輸出數(shù)字量已經(jīng)過校準(zhǔn)，傳感器包括電容式感濕元件和一個(gè) NTC 測 溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接，無需額外部件，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?，F(xiàn)場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)送測量數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)如下：178。 溫濕度控制器的工作狀態(tài)由現(xiàn)場控制器獨(dú)立控制；178。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場控制器的硬件、軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。 采集現(xiàn)場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；216。 顯示當(dāng)前的溫濕度測量值、設(shè)定值、實(shí)時(shí)時(shí)間；216。 在溫濕度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警；216。 上位機(jī)軟件完成的功能如下：216。 設(shè)定溫濕度上下限，并給出報(bào)警；216。 查詢、打印溫濕度數(shù)據(jù)的歷史曲線；216。 根據(jù)糧倉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。由于現(xiàn)場環(huán)境有干擾，為了保證系統(tǒng) 可靠工作，采用自帶看門狗的單片機(jī) STC89C52，保證有干擾時(shí)，程序能夠自動(dòng)復(fù)位并 開始正常工作。圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖本系統(tǒng)以糧倉的溫濕度為監(jiān)測對(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。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) 都是通過它傳遞的。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 頁東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 17 頁智能節(jié)點(diǎn)由 STC89C52 最小系統(tǒng)和 DHT21 溫濕度測量電路，鍵盤輸入電路，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 CAN 總線接口與 CAN 總線通信。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。系統(tǒng)控制原理框圖如圖 所示。開始初始化讀取溫濕度標(biāo)值向CGRAM寫字符設(shè)定狀態(tài)？ 否是清看門狗寄存器否 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，極高的擦寫次數(shù)（大于 100000）。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。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，PP1 P12 以及 P2 口連接 LCD，P1P14 和 P15 連接 DS1302，P0P0P0P32 以及 P33 連接鍵盤電路，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。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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī) 相連接，無需額外部件。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，連接方便。 DHT21實(shí)物及封裝圖 DHT21 性能說明DHT21 的主要性能指標(biāo)如表 所示。1%RH精度25℃177。5%RH互換性可完全互換響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)2S遲滯177。1%RH/yr溫度分辨率℃16Bit重復(fù)性 177?！媪砍谭秶?080℃響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)620S注：采樣周期不得低于最小值，否則會(huì)引起錯(cuò)誤。東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 19 頁DHT21的標(biāo)值供電電壓為5V，傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。DATA引腳是串行數(shù)據(jù)接口，用于微處理器與 DHT21之間的通訊和同步，采用單 總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間5ms左右，具體格式在下面說明，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為40bit， 高位先出。 DHT21 數(shù)據(jù)格式DHT21 所能測量的，溫度和濕度都是有一位小數(shù)的數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)格式如式 所示。濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=和的末8位=校驗(yàn)和 （） 例如：接收40bit數(shù)據(jù)為0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110 驗(yàn)證：0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110，那么對(duì)應(yīng)濕度=％RH溫度=℃當(dāng)溫度低于0℃時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。由于主機(jī)從DHT21讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測 量值，如兩次測量間隔時(shí)間很長，則要連續(xù)讀兩次以獲得實(shí)時(shí)的溫濕度值。圖 開始數(shù)據(jù)傳送時(shí)信號(hào)高電平后就是數(shù)據(jù)位，每1bit數(shù)據(jù)都是由一個(gè)低電平時(shí)隙和一個(gè)高電平組成。共40bit數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一 位數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機(jī)將再次拉低總線50us左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。圖 DHT21 數(shù)字 1 信號(hào)表示法 DHT21數(shù)字0信號(hào)表示法東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 21 頁為了提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈活性，在下位機(jī)的設(shè)計(jì)中加入了鍵盤和顯示功能，這樣不僅可以通過上位管理機(jī)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、顯示，下位機(jī)也可直接進(jìn)行設(shè)置和顯示，然后通 過 CAN 網(wǎng)絡(luò)通信給上位管理機(jī)，進(jìn)行同步控制。常 用的鍵盤電路分為兩種：獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤。矩陣鍵盤用于按鍵數(shù) 量較多的場合，它有行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，行線、列線分別連 接到按鍵開關(guān)的兩端，按鍵個(gè)數(shù)等于行數(shù)乘以列數(shù)，所以可大大節(jié)省 I/O 口的使用。使用按鍵時(shí)，必須要考慮的消除按鍵抖動(dòng)的影響，消除按鍵抖動(dòng)簡稱按鍵消抖，其 方法分為硬件消抖和軟件消抖。軟件消抖也就是延時(shí)消抖，節(jié)省硬 件資源，使用廣泛。為了防止在單片機(jī)引腳在懸空狀態(tài)下外 界的干擾可能會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)的誤動(dòng)作，而給每一個(gè)開關(guān)加上了 上拉電阻來提高抗干 擾能力。鍵盤電路原理圖如圖 所示。系統(tǒng)工 作時(shí)，LCD1602 顯示如圖 所示。在系統(tǒng)中，單片機(jī) P P1P12 分別連接著 RS、R/W、E，P2 口連接著數(shù)據(jù)總線 D0～D7。 LCD1602引腳功能說明編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地6E使能信號(hào)2VDD電源正極（典型值 5V）714D0～D7Data I/O 數(shù)據(jù)線3VL液晶顯示偏壓信號(hào)（可調(diào)）15BLA背光源正極4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）16BLK背光源負(fù)極5R/W讀/寫選擇端（H/L） LCD1602 控制器整個(gè) 1602 模塊主要由 LCD 顯示屏、控制器、列驅(qū)動(dòng)器和偏壓產(chǎn)生電路構(gòu)成。指令寄存器 IR，內(nèi)部存儲(chǔ) DDRAM 和 CGRAM 中的數(shù)據(jù)顯示的指令代碼和地址信東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 23 頁數(shù)據(jù)寄存器 DR，內(nèi)部暫時(shí)存儲(chǔ)單片機(jī)與模塊內(nèi)部 DDRAM 和 CGRAM 之間的傳送數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作使 DR 與 DDRAM 或者 CGRAM 之間的數(shù)據(jù)傳送自動(dòng)進(jìn)行。地址計(jì)數(shù)器 AC，是 DDRAM 或者 CGRAM 的地址指針。DR 與 DDRAM 或者 CGRAM 之間完成一次數(shù)據(jù)傳送后，AC 會(huì)自動(dòng)加 1 或減 1。標(biāo)準(zhǔn)字模區(qū) CGROM，保存了廠家生產(chǎn)時(shí)固化的 192 個(gè)不同字符字模，字符字模是 與顯示字符點(diǎn)陣相對(duì)應(yīng)的 58 矩陣位圖數(shù)據(jù)。自建字模區(qū) CGRAM，是留給用戶自己定義字符的字模組的。 LCD1602 基本操作對(duì) 1602 的控制，共有四種基本方式，如表 所示。DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一款高性能、低功耗、帶 RAM 及涓流充電功 能的時(shí)鐘芯片。時(shí)鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)可以一次一個(gè)字節(jié)， 也可以采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的字符組方式通信，通過對(duì)時(shí)鐘/RAM 讀/寫數(shù)據(jù) 來查詢時(shí)間信息和控制芯片的工作狀態(tài)。該 芯片的接口簡單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器以及電 池供電的儀器儀表等領(lǐng)域。 X1 和 X2 是振蕩源接口，外接普通 晶振； VCC2 和 VCC1 分別為 DS1302 的主 電源和備用電源管腳。DS1302 在系統(tǒng)中的電路原理圖如圖 所示圖 DS1302 電路原理圖東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 25 頁DS1302有關(guān)日歷、時(shí)間的寄存器共有12個(gè)，其中有7個(gè)寄存器，存放的數(shù)據(jù)格式為BCD碼形式。當(dāng)該位置為 1 時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為 0 時(shí)，時(shí)鐘開始運(yùn)行。當(dāng)為高 時(shí)，選擇 12 小時(shí)模式。在 24 小時(shí)模式時(shí)，位 5 是第二個(gè)10 小時(shí)位。在任何的對(duì)時(shí)鐘和 RAM 的寫 操作之前，WP 位必須為 0。 DS1302 控制字DS1302 是 SPI 總線驅(qū)動(dòng)方式，它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存 器的數(shù)據(jù)。bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit01RAM / CKA4A3A2A1A0RD / WR DS1302的控制字位 7（最高有效位）：必須是邏輯 1，如果它為 0，則禁止寫 DS1302。位 5 至位 1（A4～A0）：指示操作單元的地址。位 0（最低有效位）：如為 0，表示要進(jìn)行寫操作，為 1 表示進(jìn)行讀操作。同樣，在緊跟 8 位的控制字指令后的下一個(gè) SCLK 脈沖的下降沿，讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出也是從最低位到最高位，DS1302 單字節(jié)讀寫時(shí)序分別如圖 和 所示。前面提到 DS1302 的 RAM 可以當(dāng)作外部存儲(chǔ)器來用，但是由于數(shù)據(jù)采集 是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，那么相應(yīng)時(shí)間也是實(shí)時(shí)記錄的，考慮到系統(tǒng)工作效率，系統(tǒng)采用了 AT24C02A 芯片組成的掉電保護(hù)電路，如 所示。但是由于這些數(shù)據(jù)都已傳到上位機(jī)，所以只需要用前四個(gè)字節(jié)就 可以了。采用 8 腳 DIP、SOIC 或 TSSOP 封裝，其引腳描述如表 所示。SCL：輸入引腳，提供器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的串行時(shí)鐘。 WP：當(dāng)該引腳連接到VCC時(shí)，所有的內(nèi)容都被寫保護(hù)，只能讀；當(dāng)WP管腳連接到GND或懸空時(shí)，允許器件進(jìn)行正常的讀/寫操作。AT24C02A通過 I2C 總線接口進(jìn)行操作， I2C 總線協(xié)議定義如下：① 只有在總線空閑時(shí)才允許啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。圖 AT24C02A 總線時(shí)序單片機(jī)作為主器件通過發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)啟動(dòng)發(fā)送過程，接著發(fā)送它所要尋址的從 器件AT24C02A的地址，然后AT24C02A監(jiān)視總線并當(dāng)