基于SHT75溫濕度傳感器的設計與應用

摘要：系統基于SHT75溫濕度傳感器，利用EPA總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信和對工業(yè)現場(chǎng)溫度與濕度的監測，為用戶(hù)提供一個(gè)適時(shí)性與便利性的遠程監測系統。

關(guān)鍵詞：EPA總線(xiàn)技術(shù)；網(wǎng)絡(luò )通信；SHT75；溫濕度傳感器

*本項目得到了國家863項目（2006AA040301）資助。
2008年9月17日收到本文修改稿。

引言

　　在工業(yè)現場(chǎng)，特別是那些環(huán)境因素對生產(chǎn)過(guò)程影響比較大的車(chē)間，對現場(chǎng)環(huán)境因素的監測很重要，而隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化的迅速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)中應用的普及，它能使用戶(hù)對現場(chǎng)的一些環(huán)境因素實(shí)現一個(gè)遠程的監測，突顯其便利性和適時(shí)性。本系統就是基于SHT75溫濕度傳感器，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現對工業(yè)現場(chǎng)的溫濕度的遠程監測。

溫濕度測量的系統設計

　　在工業(yè)現場(chǎng)中使用溫濕度傳感器，為了達到遠程監測的目的，就少不了與工業(yè)以太網(wǎng)或其它工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連，本系統就利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，由傳感器SHT75采集工業(yè)現場(chǎng)的溫濕度，經(jīng)過(guò)CPU處理，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現上位機對現場(chǎng)環(huán)境溫濕度的數據采集、監測。

　　本溫濕度測量系統包含了微處理器（C8051F120）、存儲器、傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò )通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設計中，電源使用了以太網(wǎng)供電設備，該設備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設計中所需要的電源。該電源經(jīng)過(guò)電平轉換，為微處理器、存儲器、傳感器模塊等提供所需的+5V和+3.3V電壓。微處理器C8051F120通過(guò)I/O口與傳感器模塊進(jìn)行數據交換。溫濕度測量系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 溫濕度測量系統框圖

處理器C8051F120

　　C8051F120是美國Cygnal公司的一款控制芯片，它使用 Silicon Lab 的專(zhuān)利 CIP-51 微控制器內核，具有64個(gè)數字I/O 引腳、片內VDD 監視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器,它使C8051F120器件成為真正能獨立工作的片上系統；FLASH 存儲器具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場(chǎng)更新 8051固件；片內 JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試，該調試系統支持觀(guān)察和修改存儲器和寄存器，支持斷點(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、單步及運行和停機命令；它能在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）處工作，這些完全滿(mǎn)足在工業(yè)現場(chǎng)使用的要求。

　　微處理器部分的設計包含系統硬件的啟動(dòng)與復位、地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)的分配和定義、與外設傳感器的連接等；系統由外部的22M鐘振作為時(shí)鐘源向CPU輸入時(shí)鐘信號；復位電路由10μF的電容、10K電阻組成低電平復位電路，該復位電路可實(shí)現上電低電平自動(dòng)復位。

傳感器模塊

　　SHTxx 系列單芯片傳感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè) 14 位的 A/D 轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現無(wú)縫連接。SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根據對現場(chǎng)的采集速率而進(jìn)行調整，一般情況下默認的測量分辨率分別為 14bit（溫度）、12bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至 12bit 和 8bit，對溫度的量程范圍：-40～123.8℃，濕度的量程范圍：0～100%RH。它操作比較簡(jiǎn)單，只需用一組“ 啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，就能實(shí)現傳感器數據傳輸的初始化，同時(shí)，在測量和通訊結束后，SHTxx 會(huì )自動(dòng)轉入休眠模式，這大大的減少了功耗。我們選擇的是SHT75，它的結構框圖如圖2所示。

圖2  SHT75結構框圖

　　SHT75與微處理器的連接，是通過(guò)C8051F120的兩個(gè)I/O口來(lái)分別與傳感器SHT10的SCK引腳和DATA引腳相連，來(lái)實(shí)現數據的交換；VDD與3.3V電壓相連。為避免信號沖突，微處理器應驅動(dòng)DATA 在低電平，所以還必須在I/O電路中，DATA引腳上加上一個(gè)上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個(gè)10KΩ的電阻接至3.3V電壓。

網(wǎng)絡(luò )通信接口

　　在設計中采用網(wǎng)絡(luò )接口將溫濕度傳感器接入工業(yè)以太網(wǎng)，數據由以太網(wǎng)傳遞到上位機中，實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)的設備和上位機的通信。網(wǎng)絡(luò )隔離器采用的是HR61H50L，網(wǎng)卡芯片使用的是RTL8019AS。

　　RTL8019AS 是REALTEK公司的高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡(jiǎn)單的解答即插即用 NE2000兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。通過(guò)三電平控制特性，RTL8019AS是對網(wǎng)絡(luò )設備 GREEN PC 理想的選擇。全二重功能能夠模擬傳播和接收在雙絞線(xiàn)到全二重以太網(wǎng)交換機。這個(gè)特性不僅使帶寬從10到20MBPS，而且避免了由于以太網(wǎng)頻道爭奪特性導致的讀出多路存取協(xié)議的問(wèn)題。為了提供完全解決即插即用方案，RTL8019AS集成10BASET收發(fā)器，BNC,和AUI接口之間的自動(dòng)檢測功能。此外，8條IRQ 總線(xiàn)和16條基本地址總線(xiàn)為大資源情況下提供了寬松的環(huán)境。RTL8019AS用 16k字節 SRAM 設計在單片芯片上，它的設計不僅提供了更友好的功能，而且節省了 SRAM 存儲資源。RTL8019AS的地址總線(xiàn)SA[7:0]與數據總線(xiàn)SD[7:0]分別與C8051F120的地址/數據總線(xiàn)相連。

電源

　　電源采用的是以太網(wǎng)供電設備，該設備采用符合802.3受電設備標準，輸出標準的+24V，經(jīng)過(guò)LM2576-5（Motorola生產(chǎn)）和AS1117-3.3（ALPHA?生產(chǎn)）電源芯片，電平轉換后，輸出溫濕度測量系統中的微處理器、存儲器、網(wǎng)卡芯片和傳感器模塊上所需的5V和3.3V電源。

軟件設計

　　主程序結構主要由CPU與SHT75之間的數據傳遞和傳感器與上位機的數據傳遞并在上位機顯示兩部分組成。在數據傳遞部分，首先需要對CPU與SHT75對應I/O口以及相關(guān)寄存器的初始化，然后通過(guò)CPU發(fā)送命令啟動(dòng)數據的傳輸，之后，傳感器開(kāi)始進(jìn)行信號的采集和數據的交換，CPU對數據進(jìn)行處理，當進(jìn)行完一次采集和傳遞后，再通過(guò)通信復位來(lái)循環(huán)工作；在上位機顯示部分，只需找一入口地址，把CPU處理好的數據傳給上位機，再通過(guò)EPA組態(tài)軟件來(lái)對數據進(jìn)行客觀(guān)的顯示。程序結構如圖3所示。

圖3 程序結構

　　在本系統數據傳遞過(guò)程中，主要經(jīng)過(guò)的是啟動(dòng)傳輸、字節的讀與寫(xiě)、狀態(tài)寄存器的讀與寫(xiě)、最終數據的讀取和通信的復位幾部分。下面列出溫濕度數據的讀取程序的部分代碼：

BYTE shtMeasure(BYTE *ptr,BYTE mode)
{BYTE error,crc; BYTE i;
  switch(mode) {
  case SHT_MODE_TEMP:                           //讀溫度數據
    do {error = 0;
      shtTransstart();                                //啟動(dòng)傳輸，傳感器開(kāi)始工作
      error += shtWriteByte(SHT_MEASURE_TEMP);    //寫(xiě)字節函數，寫(xiě)一個(gè)字節
      } while (error);                               
    break;
  case SHT_MODE_HUMI:                          //讀濕度數據
    do {error = 0;
      shtTransstart();                               //啟動(dòng)傳輸，傳感器開(kāi)始工作
      error += shtWriteByte(SHT_MEASURE_HUMI);   //寫(xiě)字節函數，寫(xiě)一個(gè)字節
       } while (error);
    break;
  default:
    break;
  }
  for (i=0;i<65535;i++) { if (SHT_DATA==0) {
      break;
    }
  }
　Delay100us(20);                                 //不需要定時(shí)器的延時(shí)
  *ptr = shtReadByte(SHT_ACK);                    //讀字節函數，讀一個(gè)字節
　Delay100us(10);
 *(ptr+1) = shtReadByte(SHT_ACK);
  crc = shtReadByte(SHT_NOACK);
  crc = crc;
  return error;
}

溫濕度傳感器在工業(yè)現場(chǎng)中的應用

　　圖4它是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲圖，設備掛在集線(xiàn)器上，集線(xiàn)器在給溫濕度傳感器供電的同時(shí)，還對傳感器采集的數據信息進(jìn)行傳遞；集線(xiàn)器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)與上位機相連，數據信息就通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送到上位機。通過(guò)上位機用戶(hù)可以遠程監測現場(chǎng)的溫度與濕度。

圖4  監測拓撲圖

　　在工業(yè)現場(chǎng)，此設備是直接通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸的，通過(guò)在重慶重鋼集團的一個(gè)月試用結果來(lái)看，它的穩定性和精確度滿(mǎn)足要求。圖5是在重慶鋼鐵集團中板廠(chǎng)監測室的監測界面。

圖5 監測曲線(xiàn)圖

　　圖5是一監測曲線(xiàn)圖，通過(guò)直觀(guān)的曲線(xiàn)圖來(lái)顯示工業(yè)現場(chǎng)的溫濕度變化，它具有報警功能，用戶(hù)可以根據現場(chǎng)的具體要求自主設定上限與下限，當溫濕度值超過(guò)限制時(shí)，就會(huì )顯示紅色，并閃爍不定，以示報警。

結語(yǔ)

　　在重慶鋼鐵集團中板廠(chǎng)持續高溫車(chē)間里的使用效果來(lái)看，傳感器的測量精度基本保持穩定，根據監控室人員的反映，監控界面所顯示的數據與車(chē)間實(shí)際數據誤差很小，并且它能適時(shí)性的顯示車(chē)間的溫度與濕度，刷新速率很快，滿(mǎn)足設計要求。

　　但是工業(yè)現場(chǎng)一般環(huán)境比較的惡劣，在使用過(guò)程中發(fā)現，設備自身的發(fā)熱量以及長(cháng)久使用對自身的損耗直接影響著(zhù)傳感器對外界環(huán)境因素的靈敏度，所以，怎樣使傳感器模塊擁有更好的靈敏度、更低的功耗、更廣的工作范圍，這些對硬件設計和軟件優(yōu)化提出了更高的要求。
  
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