基于A(yíng)RM的綜合測試儀設計

　　1引言

　　我國的疆域廣闊，時(shí)區分布不同，海拔以及溫度，濕度等氣候差異都很大，實(shí)時(shí)的了解我們所處位置的氣候情況對工作和生活是很重要的。尤其對一些野外工作的科研人員來(lái)說(shuō)，需要測試海拔，溫度，濕度等物理量作為參考因素。為了測量這些物理量需要我們攜帶多種測試設備，這對野外工作很不方便。為了實(shí)時(shí)方便的了解我們所處的海拔高度和天氣情況，我們需要有更便捷，功能更齊全的綜合測量?jì)x器。同時(shí)可以將現場(chǎng)的數據送到PC，以方便今后的進(jìn)一步分析和處理。

　　2系統組成以及基本原理

　　整個(gè)綜合測試儀主要由五個(gè)部分組成。分別是核心控制單元，濕度測量，海拔高度測量，溫度測量，以及測量數據顯示部分。濕度測量是通過(guò)濕度傳感器將環(huán)境濕度物理量變換為電信號，最終將處理后的模擬信號經(jīng)過(guò)A/D后送到CPU。海拔測量主要是通過(guò)間接測量大氣壓強，經(jīng)過(guò)計算來(lái)得出當地的海拔高度，其中也考慮到其他因素的影響而采取了軟件修正的方法。溫度測量采用數字溫度測量芯片DS1820來(lái)實(shí)現，這是一個(gè)應用的比較廣泛，也是得到了實(shí)踐驗證，確切可行的一種測量方法。所有采集的物理量經(jīng)過(guò)A/D轉換后，在CPU中經(jīng)過(guò)處理，反映出各自代表的物理量后，送到顯示電路，以提供使用者信息，也可送到PC，讓PC機上的數據分析軟件做進(jìn)一步的處理和存儲。

　　3系統硬件整體設計

　　系統控制器單元

　　本設計采用LPC2104作為控制器的控制芯片[1][3]。LPC2104是PHILIPS公司專(zhuān)為嵌入式應用提供的高性?xún)r(jià)比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結構，內核是ARM7TDMI-S，CPU操作頻率可達60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲器、16KB靜態(tài)RAM、2個(gè)UART、1個(gè)I2C串行接口、1個(gè)SPI串行接口，多達6路輸出的PWM、2個(gè)定時(shí)器，分別具有4路捕獲/比較通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門(mén)狗定時(shí)器等，能夠與常用的外圍設備實(shí)現無(wú)縫連接，本系統以L(fǎng)PC2104為核心控制電路，對外圍的各種前端測量電路，包括濕度測量，溫度測量，海拔測量，以及數據顯示電路進(jìn)行無(wú)逢整合。其中系統整體框圖如圖1。

　　3．1 濕度測試電路設計

　　濕敏測量在工業(yè)、農業(yè)、氣象、醫療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應用，特別是隨著(zhù)科學(xué)技發(fā)展，對于濕度的檢測和控制越來(lái)越受到人們的重視并進(jìn)行了大量的研制工作。

　　在本測量?jì)x中濕度測量電路是由濕敏元件和轉換電路，信號調理電路，以及A/D轉換電路等組成，它將環(huán)境濕度變換為電信號，然后通過(guò)A/D轉換成數字信號。

　　在實(shí)際應用中，需要同時(shí)考慮對濕度傳感器進(jìn)行線(xiàn)性處理和溫度補償，常常采用運算放大器構成濕度測量電路，在圖2中Rt是熱敏電阻器(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運算放大器型號為OP07。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范圍內，輸出電壓表示的濕度誤差不超過(guò)3％RH。下式是濕度測量的原理表達式：

　　R=R0exp(B/T-AH)

　　其中H為相對濕度；T為絕對溫度；R0為在T=0℃ ，相對濕度H=0時(shí)RH的阻值；A為濕度常數；B為溫度常數。

　　圖2 濕度測量電路

　　3．2 海拔高程測試電路設計

　　海拔測量的方法主要有兩種：一種是GPS，一種是氣壓檢測法。GPS測量是一個(gè)比較好的，也比較先進(jìn)的測量方法，測量結果也非常精確。但是存在著(zhù)成本較高這個(gè)缺點(diǎn)，所以在本系統中采用氣壓檢測的方法。氣壓測量的原理是依據海拔高度增加氣壓隨之減小的原理，但是這個(gè)變化不是線(xiàn)性，而是一個(gè)函數，函數關(guān)系大致如下：

　　P=760(e^-(a/7924))

　　P:氣壓，毫米汞柱a:海拔, 千米。當然，氣壓還跟季節，空氣濕度，氣流有關(guān)系，要把這些數據也參入計算是很復雜的事。所以在設計中通過(guò)采樣多個(gè)數據進(jìn)行加權求和。同時(shí)在軟件設計中考慮進(jìn)行軟件的修正。

　　在系統設計中，氣壓測量傳感器采用TP051P測量現場(chǎng)氣壓值，而后通過(guò)AD620進(jìn)行前端放大，放大以后的數據送到ICL7135進(jìn)行A/D轉換。轉換后的數據以串行的方式送到CPU進(jìn)行處理。圖2是海拔測量的前端采樣以及調理電路。

　
圖3 海拔測量前端電路

　　3．3 溫度測試電路設計

　　DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現9～12位的數字值讀數方式?？梢苑謩e在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫(xiě)入DS18B20的信息僅需要一根口線(xiàn)（單線(xiàn)接口）讀寫(xiě),溫度變換功率來(lái)源于數據總線(xiàn)，總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶(hù)帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿(mǎn)意的效果。如圖4是DS1820與微處理器LPC2104的典型連接電路[5][6]：