一種高性能便攜式PIC單片機濕度檢測儀的研制

摘要：介紹了一種高性能便攜式PIC單片機濕度檢測儀的研制，詳細闡明了有關(guān)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)。本測試儀充分應用ＰＩＣ單片機自身的軟硬件資源，具有智能化，小型便攜、可編程等優(yōu)點(diǎn)，在農業(yè)、水文系統、環(huán)境監測、氣象等許多領(lǐng)域具有廣泛的應用。 關(guān)鍵詞： PIC單片機 濕度測試儀 土壤含水量

適時(shí)準確地測量周?chē)h(huán)境的濕度和土壤含水量在國民經(jīng)濟發(fā)展的許多領(lǐng)域中具有廣泛的應用，如在農業(yè)上為了科學(xué)地對土壤進(jìn)行管理，需要經(jīng)常測試土壤含水量；在水利工程中，如水文站、堤壩上也需經(jīng)常測試土壤含水量，此外，土壤濕度測量在環(huán)保、氣象、國防施工中更是不可缺少的測量項目。如何使這種繁瑣的測量以及相關(guān)數據處理實(shí)現自動(dòng)化，成為人們急需解決的重要課題。

本文介紹一種高性能、便攜式、可編程的由PIC16C74單片機為主構成的濕度測試儀，詳細闡明了該儀器的工作原理、基本功能框圖、關(guān)鍵技術(shù)以及相應的工作軟件流程。

１儀器基本原理及功能框圖

本儀器的系統硬件結構框圖如圖１所示，芯片選用價(jià)格低廉，性能優(yōu)良的PIC16C74單片機，充分利用其提供的軟硬件資源，配以相應的外圍電路完成土壤含水量檢測。主要組成部分包括：濕度傳感器，PIC單片機，外存儲器（Ｅ２ＰＲＯＭ），觸摸式鍵盤(pán)，液晶顯示屏（ＬＣＤ），電池電源通斷控制電路，以及向計算機傳送數據的通訊接口電路等部分。傳感器選用的是一種專(zhuān)利產(chǎn)品，其作用是直接將探測頭插入待測土壤中，將土壤濕度轉化成相應模擬電壓，電壓范圍在０～１．２Ｖ，該模擬電壓經(jīng)運算放大器放大到０～５Ｖ范圍內的電壓后，送到ＰＩＣ１６Ｃ７４的Ｉ／Ｏ口，單片機內有８個(gè)通道的Ａ／Ｄ變換器，選一個(gè)口作為模擬電壓輸入通道，然后轉換成數字電壓值，按電壓－含水量公式，經(jīng)過(guò)單片機運算，得出實(shí)際的土壤含水量值，送入外部擴展存儲器儲存，以備傳輸和處理之用，同時(shí)送入液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。

本儀器設定每批數據由１６字節組成，外存儲器容量為６４Ｋ字節，所以外加存儲器最大存儲容量可達５１２批。為了對測量數據進(jìn)行進(jìn)一步處理，需要把各測試點(diǎn)的大量數據送往計算機，為完成數據傳輸，我們選用ＲＳ２３２標準接口方式，器件選用ＭＡＸ２０２作為接口器件，數據通過(guò)Ｉ／Ｏ接口送入計算機，再由它進(jìn)行進(jìn)一步處理，繪出測試曲線(xiàn)、圖表，然后進(jìn)行分析、打印和存檔。

由于儀器體積小，按鍵選用觸摸開(kāi)關(guān)，能夠完成電源控制（ＯＮ），測量（ＭＥＡＳＵＲＥ），前翻頁(yè)（ＵＰ），后翻頁(yè)（ＤＮ），清除（ＣＬＥＡＲ），認可（ＡＣＫ）等功能，可使用戶(hù)靈活操作。電源采用９Ｖ標準電池供電，并由專(zhuān)門(mén)的電源控制電路控制電源通斷，由ＰＩＣ６４Ｃ７４單片機監測電池供電情況，電壓在正常工作范圍時(shí)，液晶屏顯示"Ｈ"，低于所定標準電壓時(shí)，顯示"Ｌ"，表明需要換電池。

由于我們研制的測試儀采用了高性能單片機芯片，可利用的軟硬件資源豐富，需要的外圍器件較少，具有很強的功能，并且功耗低，應用領(lǐng)域非常廣泛。

２關(guān)鍵器件和關(guān)鍵技術(shù)

２．１ PIC16C74單片機

本儀器芯片選用美國Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的PIC16C74單片機，這種芯片是一種低功耗、高性能，價(jià)格適中的ＣＭＯＳ全靜態(tài)８位Ｅ２ＰＲＯＭ單片微型處理器，為４０ＤＩＰ，其中Ｉ／Ｏ口就有３３腳，適于加裝較多外圍器件和設備。

ＰＩＣ１６Ｃ７４芯片包含１９２字節數據存儲器（ＲＡＭ）和４Ｋ字節程序存儲器（ＲＯＭ）容量，３３個(gè)輸出／輸入口，三個(gè)定時(shí)／計數器，三個(gè)捕捉／比較／ＰＷＭ模數和兩個(gè)串行口，同步串行口可配置成三線(xiàn)ＳＰＩ或二線(xiàn)Ｉ２Ｏ工作方式，串行口可設置成同步或異步，以及八通道高速Ａ／Ｄ變換器部分。軟件結構上，采用ＲＩＳＣ指令結構，具有８級堆棧，多個(gè)內部和外部中斷位，指令３５條，易于編程。

與其它單片機（如８０３１芯片）相比，ＰＩＣ１６Ｃ７４具有如下幾個(gè)其它芯片無(wú)法比擬的特點(diǎn)：

·內部帶有８個(gè)Ａ／Ｄ變換通道，僅此一點(diǎn)，在需要進(jìn)行Ａ／Ｄ變換時(shí)，就省去了附加的Ａ／Ｄ轉換外圍芯片；

·軟件指令僅３５條，利用編程實(shí)現；

·低功耗，高速ＣＭＯＳ ＥＰＲＯＭ技術(shù)，在５Ｖ ４ＭＨｚ時(shí)僅耗電２ｍＡ，在３Ｖ３２ｋＨｚ時(shí)，僅耗電１５ｍＡ；

·更為重要的是，該芯片具有休眠功能，即執行Ｓｌｅｅｐ工作方式，此方式下，芯片耗電極?。ㄐ∮冢保恚粒?，當需芯片重新工作時(shí)，可通過(guò)內部或外圍中斷方式喚醒芯片轉入正常工作方式；

·具有保密功能。

２．２Ａ／Ｄ變換

PIC16C74單片機有８路模擬輸入口，共用一個(gè)采樣／保持器，采樣／保持逐次比較，最后把模擬量變成數字量，對于本測試儀來(lái)說(shuō)，輸入是傳感器送來(lái)的模擬電壓，其值在０～１．２Ｖ范圍內變化，經(jīng)放大后的電壓進(jìn)入單片機內進(jìn)行Ａ／Ｄ變換和運算處理，Ａ／Ｄ變換電路如圖２所示。

此外Ａ／Ｄ變換器的模擬參考電壓選用ＲＡ３／ｒｅｆ，引腳電壓為＋５Ｖ，在設計這種電路時(shí)，需要進(jìn)行如下工作：

·Ａ／Ｄ變換的精度計算及誤差

把模擬電壓０～１．２５Ｖ轉換成８位二進(jìn)數碼，其１ＬＳＢ＝１．２５／２５６＝４．９ｍＶ≈５ｍＶ，在ＶＤＤ＝５Ｖ±１０％時(shí)，且Ｖｒｅｆ＝５Ｖ情況下，Ａ／Ｄ轉換的全范圍精度小于１ＬＳＢ，其中包括偏置誤差、滿(mǎn)量程誤差和整數誤差，并且Ａ／Ｄ轉換是單調的。

由于ＶＤＤ小于５Ｖ或Ｖｒｅｆ小于ＶＤＤ時(shí)，分辨率和精度會(huì )降低，所以我們設計時(shí)采用如下兩條措施，一是選用ＶＤＤ＝５Ｖ，且Ｖｒｅｆ＝５Ｖ；二是通過(guò)運算放大器放大，使輸入模擬電壓在０～５Ｖ范圍內變化。

·對輸入模擬信號量的要求

模擬輸入要進(jìn)行ＥＳＤ保護，所以在ＶＤＤ和ＶＣＳ之間加有反向偏置二極管以保護器件不會(huì )被損壞，同時(shí)要求接到模擬輸入腳的外部器件應具有極低的漏電流。

·Ａ／Ｄ采樣要求

對于要達到特定精度的Ａ／Ｄ轉換，輸入通道電壓需充滿(mǎn)充電保持電容，其公式為：采樣時(shí)間＝放大器穩定時(shí)間＋保持電容充電時(shí)間＋溫度系數，即可得出。

·Ａ／Ｄ轉換時(shí)鐘選擇

時(shí)鐘選用４ＭＨｚ。

２．３鍵盤(pán)控制

ＰＩＣ１６Ｃ７４有五個(gè)Ｉ／Ｏ口ＰＯＲＴＡ～ＰＯＲＴＥ，其中ＰＯＲＴＢ是個(gè)雙向口，Ｂ口的四個(gè)引腳ＲＢ(４～７)，在引腳被設置成輸入方式時(shí)，這四個(gè)引腳的狀態(tài)變化會(huì )引起中斷。利用Ｂ口的特性，很容易和外部控制鍵盤(pán)接口。本儀器中設計了一個(gè)２×４的鍵盤(pán)，一共有８個(gè)控制鍵，鍵盤(pán)控制電路如圖３所示。為了對鍵盤(pán)采樣，首先禁止數字吸入電流，然后用軟件設置口Ｂ，使ＲＢ４～ＲＢ７為輸入端，ＲＢ２～ＲＢ３為輸出端至高電平。允許ＲＢ４～ＲＢ７的上拉，依次使ＲＢ２～ＲＢ３為低電平，同時(shí)檢測ＲＢ４至ＲＢ７，看是否有擊鍵（低電平），每次掃描會(huì )發(fā)現有多次擊鍵，一旦檢測到擊鍵，在重新開(kāi)始鍵盤(pán)采樣之前，經(jīng)過(guò)４０ｍｓ的去抖動(dòng)時(shí)間，直至當前鍵被釋放之前，不再檢測別的擊鍵。

２．４液晶顯示

測試儀顯示選用液晶顯示片ＥＤＭ－１６０１Ａ，它可同時(shí)顯示１６個(gè)ＡＳＣＩＩ碼字符，每個(gè)字符由５×７點(diǎn)陣組成，這種器件內部控制電路主要由指令寄存器，數據寄存器，地址寄存器，顯示數據寄存器，字符發(fā)生和時(shí)序發(fā)生器等組成。本儀器顯示畫(huà)面顯示如圖４所示。０號位顯示電池電壓狀態(tài)，當電池電壓＞７．５Ｖ時(shí)，顯示"Ｈ"表示電池電壓正常，當電池電壓＜＝７．５Ｖ時(shí)，顯示"Ｌ"，表示電壓過(guò)低，需更換電池。１～３號位數碼，顯示測試批數，本測試儀最多可測試５１２批數據。４號位為空格。５～１０位顯示所測點(diǎn)電壓數值，以毫伏（ｍＶ）為單位。１１～１５號位數碼顯示此測試點(diǎn)的含水量百分數。

每按一次測量鍵，則顯示出測試點(diǎn)的相關(guān)電壓數值和換算出的含水量值，這些值同時(shí)送入外存儲器存儲起來(lái)。

２．５串口通訊

為了對采集到的數據進(jìn)行深入地分析，需要將數據從測試儀的外存儲器傳送至計算機，ＰＩＣ１６Ｃ７４具有串行通訊接口（ＳＣＩ），ＳＣＩ是為能與ＣＲＴ終端及計算機等外設通訊的全雙工異步系統，本儀器采用ＲＳ－２３２－Ｃ接口方式，傳送波特率為９６００比特。數據傳輸格式如圖５所示，在這種方式下，ＳＣＩ采用標準的不歸零（ＮＲＺ）格式，開(kāi)始是一位起始位，以邏輯"０"表示，接著(zhù)是８位數據位，最后是一位停止位，以邏輯"１"表示，本儀器不設奇偶校驗位，故一次傳送數據長(cháng)度為１０比特。接口芯片選用ＭＡＸ２３２，接收端（計算機）采用Ｃ語(yǔ)言編輯的接收軟件，顯示接收到的數據，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如匯總成數據表格，畫(huà)出分析曲線(xiàn)以及打印結果等等，以供工作人員參考。

２．６電源控制

本儀器采用標準９Ｖ干電池供電，為了能保證正常供電，需要對電源進(jìn)行下面三個(gè)方面的控制。

·電源的通斷控制，按鍵盤(pán)ＯＮ鍵，則９Ｖ電壓通過(guò)ＭＡＸ６６７（ＭＡＸ公司）輸出，提供儀器所需的５Ｖ電壓；

·電池電壓測試電路，假定標準９Ｖ干電池在加載情況下低于規定的某一電壓時(shí)，則儀器不能正常工作，需要更換電池，為達到此目的，需要對電池電壓進(jìn)行連續監測；

·自動(dòng)關(guān)機功能：當測試完成后，如果不對儀器操作，一分鐘后電源電路自動(dòng)斷開(kāi)，實(shí)現自動(dòng)關(guān)機功能。

上述三種控制都由ＭＡＸ６６７器件完成，具體電路如圖６所示。

３檢測儀的控制軟件設計

本檢測儀采用ＰＩＣ１６ＣＸＸ單片機匯編語(yǔ)言編程，控制軟件由主控程序、按鍵功能檢測、測量及含水量計算、顯示、清除、前后翻頁(yè)顯示、通訊等子程序組成。圖７為控制軟件框圖。

４特點(diǎn)及發(fā)展遠景

本測試儀器的基本特點(diǎn)為：

·體積小，１５０×８０×６０ｍｍ３，可以放在口袋中隨身攜帶到各個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行數據采樣；

·采集的數據量大：由于加了外部Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器，可以采樣５１２批或１０２４批數據，進(jìn)行計算并存儲起來(lái)；

·通過(guò)通訊接口，可以把采集數據送到計算機上，進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如畫(huà)出測試曲線(xiàn)、進(jìn)行分析、打印結果并存儲數據；

·由９Ｖ干電池供電，為了減小功耗，延長(cháng)使用時(shí)間，該儀器開(kāi)關(guān)機由專(zhuān)門(mén)控制電路控制，到一定時(shí)間，自動(dòng)關(guān)機。在測量間隙，進(jìn)入休眠狀態(tài)，節省能量，其他器件盡量采用ＣＭＯＳ的低功耗小電流器件；

·儀器智能化，可編程，由于采用先進(jìn)的單片機，可以在單片機內部進(jìn)行Ａ／Ｄ變換以及各種數學(xué)計算，通過(guò)軟件編程可以對數據查閱（前后翻頁(yè)）、清除外存儲器中的數據以及向計算機發(fā)送數據，這些功能都可以通過(guò)儀表盤(pán)面的相應按鍵選擇。

綜上所述，本測試儀充分應用ＰＩＣ１６Ｃ７４單片機自身的軟硬件資源，具有智能化，小型便攜，可編程等優(yōu)點(diǎn)，另外本測試儀只需更換傳感器和修改控制軟件，就可擴展到其他環(huán)境參數的測試應用中，使得本測試儀在農業(yè)、水文系統、環(huán)保、氣象等許多領(lǐng)域具有廣泛的應用。

參考文獻

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