基于A(yíng)T89C2051和智能傳感器的溫濕度采集系統硬件設計

在常規的環(huán)境參數中，濕度是最難準確測量的一個(gè)參數。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來(lái)測量濕度的方法，早已無(wú)法滿(mǎn)足現代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多，溫度可獨立測量，而濕度卻受其他因素(大氣壓、溫度)的影響。

利用AT89C2051單片機強大的功能，同時(shí)結合智能傳感器SHT75測量溫濕度有快速和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，設計了一個(gè)溫濕度采集系統來(lái)對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。通過(guò)對實(shí)際環(huán)境的溫濕度測量，證明了該系統硬件電路布局設計簡(jiǎn)單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性?xún)r(jià)比相當高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數檢測儀。

1 溫濕度采集系統的硬件設計

1．1 系統總體設計方案

為了實(shí)現課題對監控機構的穩定性好、精度高、實(shí)用性強的要求，比較眾多溫濕度測量方案，系統采用智能傳感器SHT75和AT89C2051單片機構成。通過(guò)SHT75對各環(huán)境內的溫度、濕度參數實(shí)時(shí)檢測，經(jīng)傳感器芯片內A／D轉換器轉換成對應的二進(jìn)制值存儲于芯片的RAM中，單片機通過(guò)發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應的參數值，本系統帶RS485通訊接口可連接監控主機或PC，通過(guò)監控主機或PC來(lái)實(shí)時(shí)查看當前溫度和濕度值，并可在監控主機或PC上設置報警參數以便實(shí)時(shí)監控環(huán)境溫度和濕度值。系統功能模塊框圖如圖1所示。


1．2 芯片選擇

1．2．1 溫濕度傳感器

鑒于測量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統要求響應靈敏，測量精度要高，溫度小于等于±0．3℃，濕度小于等于±1．8％，穩定性能良好，因此采用了瑞士生產(chǎn)的SHT75溫濕度傳感器。

1．2．2 微處理器

該芯片主要是控制溫濕度采集，數據處理，實(shí)時(shí)溫濕度顯示及通信，那么對微控制器的端口需求較少，而且從測量系統對本模塊體積限定等諸多因數來(lái)考慮，系統選用ATMEL公司推出的AT89C2051，它是目前比較主流的單片機芯片，20個(gè)引腳，其中包括15個(gè)I／O口，復位和外部時(shí)鐘驅動(dòng)端，一個(gè)全雙工串行通信端口，5個(gè)中斷源等，128 B的內部RAM，2 kB的內部ROM空間。

1．2．3 隔離芯片

鑒于長(cháng)距離驅動(dòng)數碼管顯示實(shí)時(shí)采集的溫濕度數值，為了使顯示的穩定性和可靠度增強，采用了兩片6N137光電隔離芯片來(lái)驅動(dòng)串行輸入并行輸出7片74LS164芯片，其中6片控制6個(gè)數碼管顯示溫濕度，1片用于控制4個(gè)LED燈顯示系統狀態(tài)。

1．2．4 看門(mén)狗芯片

為了監控檢測模塊工作正常，看門(mén)狗電路和芯片是單片機開(kāi)發(fā)系統必不可少的部分，采用的X25054看門(mén)狗芯片主要功能有監控電源，防止運行程序跑飛，擴充控制芯片存儲空間等。

1．2．5 通信接口

數據采集包括單片機對溫濕度傳感器數據采集，還包括PC對單片機數據采集和處理。系統采用的是RS485接口，它是一種半雙工串行通信接口，采用平衡差分的傳輸模式，比RS232接口提高了傳輸的速率和增加了傳輸距離，目前廣泛運用于數據采集通信系統。

1．3 系統原理圖的繪制

本系統采用AT89C2051單片機作為控制核心，系統主要包括溫濕度傳感器、CPU、通訊接口等部件。電路圖的繪制采用Protel DXP 2004開(kāi)發(fā)工具，在設計PCB板的時(shí)候，應特別注意電磁兼容性設計、地線(xiàn)設計、去耦電容配置等幾個(gè)方面。

電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。在雙面PCB板中，上下兩層信號線(xiàn)的走線(xiàn)方向要盡量相互垂直或斜交叉，避免平行走線(xiàn)，以減少寄生耦合的產(chǎn)生。

在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。地線(xiàn)設計中應根據電路特性，正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，對高頻電路要采用多點(diǎn)接地，并盡量加粗接地線(xiàn)，接地線(xiàn)的寬度一般為普通走線(xiàn)的2倍，而且要將接地線(xiàn)構成閉合環(huán)路。

在直流電源回路中，負載的變化會(huì )引起電源噪聲。因為在數字電路中，當電路從一個(gè)狀態(tài)轉換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì )在電源線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，提高PCB板的可靠性。

溫濕度采集模塊PCB板制作包括主控系統板制作和實(shí)時(shí)數據顯示板制作，最終設計的PCB圖如圖2和圖3所示。


1．4 系統實(shí)物圖

最終參數采集及實(shí)時(shí)顯示模塊實(shí)物圖如圖4所示。


2 實(shí)驗測試結果與分析

2．1 第一組實(shí)驗數據

該系統調試后在室內進(jìn)行了模擬測試，檢驗了系統的測試效果以及測試精度。在數據處理時(shí)，采用大量的測量數據統計分析來(lái)減少誤差，并對運行結果進(jìn)行了記錄分析。實(shí)驗第一組數據如表1所示。

在溫濕度傳感器未經(jīng)修正時(shí)，溫濕度傳感器采集到的數據與標準計數相比較，其數據偏差即將接近本系統所要達到的期望值，但還有待改進(jìn)。

2．2 傳感器的補償和修正

為了補償溫濕度傳感器的非線(xiàn)性以獲取準確數據，使用如下公式(1)修正輸出數值：

RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH (1)

對高于99％RH的那些測量值則表示空氣已經(jīng)完全飽和，必須被處理成顯示值均為100％2RH。濕度傳感器對電壓基本上沒(méi)有依賴(lài)性。

當實(shí)際測量溫度與25℃相差較大時(shí)，應考慮濕度傳感器的溫度修正系數，使用如下公式(2)。

RHtrue=(T-25)·(t1+t2·SO)+Rhliner (2)

2．3 第二組實(shí)驗數據

根據公式(1)、(2)對傳感器進(jìn)行修正補償后得到實(shí)驗第二組數據如表2所示。

從以上結果可以看出：經(jīng)過(guò)補償和修正以后，使溫度傳感器測量數據的溫度精度小于等于0．2℃，濕度精度小于1．0％RH，達到了系統的設計要求，滿(mǎn)足了溫度精度為±0．3℃和濕度精度±2．0％RH的課題測量要求。

3 結論

本文介紹的溫濕度采集系統硬件的設計，創(chuàng )新點(diǎn)在于針對溫度和濕度的測量特點(diǎn)，采用SHT75系列數字溫濕度傳感器，可與單片機直接相連，并且由于它溫濕一體的高度集成化，改變傳統溫濕度變送器硬件包含溫度傳感器、濕度傳感器、信號處理器、A／D轉換等部分，從而簡(jiǎn)化外圍電路并降低成本，提高了電路工作的可靠性和穩定性，達到了較高的性?xún)r(jià)比。通過(guò)對實(shí)際環(huán)境的溫濕度測量，證明了該系統硬件電路布局設計簡(jiǎn)單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性?xún)r(jià)比相當高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數檢測儀。