多通道智能溫濕度測試儀的研制
引言
溫濕度的測量在工農業生產日常生活及科學研究中有著廣泛的應用但由于常用濕度傳感器的非線性輸出及一致性較差使濕度的測量方法和手段相對較復雜且給電路的調試帶來很大的困難為此采用Honeywell公司的線性電壓輸出濕度傳感器HIH3610研制出一種測試精度高能測試多點溫濕度且可與上位機通信的溫濕度智能測試儀該測試儀可實現溫濕度的多點自動測量為溫濕度測量自動化奠定了良好的基礎
儀器硬件電路
多通道溫濕度測試儀的硬件電路如圖1所示由于HIH3610為大信號輸出且線性度良好因此可省去復雜的信號放大及調理電路僅需一片A/D轉換器將與濕度值成正比的電壓值轉換成數字量并與單片機接口即可由于HIH3610輸出信號電壓范圍為0.8~3.9V而一般A/D轉換器的輸入電壓范圍為 0~5V直接使用此類A/D轉換器會造成轉換分辨率的降低故這里選用了具有轉換最大值最小值設定功能的A/D轉換器TLC2543
前向通道
前向通道電路原理圖如圖2所示TLC2543 是美國TI公司的串行控制11路模擬量輸入的模數轉換器該轉換器具有零值設定端REF-和滿度值設定端REF+可滿足本系統需要對輸入模擬量上下限進行設定的要求同時該器件具有最多11路的模擬量輸入功能因而可使本系統實現最多11路的濕度測量功能
而HIH3610的輸出可直接與 TLC2543的模擬輸入端相連這里關鍵是要設定TLC2543的REF+和REF-的基準電壓輸入端參考電壓值我們采用了電阻分壓方式其中R1和 RP1用于設定滿度電壓值調整RP1可使滿度電壓值在1/2Vref~Vref之間變化R2和RP2用于設定零值電壓調整RP2可使基準值電壓在 0~1/2Vref之間變化零值電壓和滿度電壓值可根據HIH3610出廠時給出的標定值計算出該傳感器的最大和最小輸出電壓值來設定這里RP1和 RP2應采用精密多圈電位器
溫度傳感器DS18B20采用外加電源供電方式可根據測溫點數的需要將多個DS18B20掛在一根總線上并與單片機AT89C52的P1.0口線相連
中文界面及實現
本系統由于要顯示多路溫濕度值如采用LED顯示器分時循環顯示的方法每通道顯示時間為2s則顯示完成全部通道的溫濕度值所需要的時間為44s這對于要求快速顯示測量值的應用場合顯然是不合適的另一方面對智能化的測量儀器而言如能擁有一個友好中文人機界面則將大大增強儀器的可操作性并可提高測量儀器的檔次基于以上的考慮這里采用了內藏中文字庫的液晶圖形顯示模塊LCM1286ZK該模塊的顯示點陣數為128×64可分為4行顯示每行最多為8個漢字或16個ASCⅡ字符從而很好地解決了LED循環顯示周期過長及人機顯示界面不友好的弊端LCM12864ZK與單片機的接口方式有8 位/4位并行和2/3線串行模式這里利用其二線串行模式與單片機接口簡化了與單片機的接口電路設計并減少了硬件資源的占用
數據保存
為了將實時采集的各點溫濕度值保存下來以便于對歷史數據查閱和繪制出實時或歷史溫濕度值變化曲線同時也為便于將歷史測量的溫濕度值傳送給上位機由上位機來完成各點溫濕度值的變化規律統計分析這里擴展了一片基于I2C總線的高性能鐵電存儲器FM24C256該存儲器兼具ROM和RAM的優點存儲容量為32Kbyte由于本系統的數據采集周期可在1~30分鐘的范圍內設置為了便于按采集的日期及時間保存溫濕度值我們擴展了I2C總線實時日歷時鐘SD2002該器件可與FM24C256掛在同一條I2C總線上數據保存格式為小時1字節分鐘1字節濕度值2字節溫度值1字節這樣保存全部的11個通道溫濕度值所需的存儲空間為35個字節當數據采集周期設定為10分鐘時可保存15個小時的溫濕度數據
系統硬件特點
大信號傳感器
傳統的溫濕度測量多采用模擬小信號傳感器不僅信號調理電路復雜且濕度值的標定過程也極其復雜并需要使用昂貴的標定儀器設備而本系統由于采用了大信號濕度傳感器及數字式溫度傳感器因而無須進行信號的調理也無須對傳感器進行重新標定,且大信號輸出形式有利于傳感器信號的遠距離傳輸以上特點大大簡化了測試儀器前向通道的設計
串行擴展技術
本系統摒棄了傳統單片機的總線擴展方式而采用串行擴展技術來擴展外圍功能電路雖然 AT89C52單片機并不直接支持各種串行總線接口但是這里采用了單片機的通用I/O口線來模擬I2C總線1-wire總線SPI總線及二線串行總線并通過軟件編程來實現與各外圍器件的通信功能串行擴展技術簡化了儀器接口設計的復雜程度并提高了儀器工作的可靠性但值得注意的是串行擴展技術簡單的硬件接口是以復雜的接口時序為代價的因而在軟件編程時一定要嚴格遵守器件的操作時序
測量精度
本系統由于采用了大信號濕度傳感器及數字式溫度傳感器故具有較高的測量精度同時由于采用了12位的A/D轉換器使得濕度值具有較高的分辨率對本系統濕度測量精度影響較大的是A/D轉換器基準參考點電壓的設定這也是本儀器中唯一一處需要調試的硬件電路因而精密基準電壓源及電壓調整元件的選型至關重要如軟硬件調試無誤本測量儀的濕度測量精度可達±2%RH溫度精度可達±0.5%℃
軟件功能
本測試儀軟件首先對系統各器件進行初始化然后啟動TLC2543 A/D轉換器的自檢根據A/D轉換器的測試輸出值是否為Vref+-Vref-/2Vref-及Vref+來判斷A/D轉換系統的正常與否然后啟動A/D轉換完成對各通道濕度信號的采樣并將采集的濕度值進行溫度補償及標度變換后送至液晶顯示器顯示和送入鐵電存儲器中進行數據的保存為了實現溫濕度信號采集的即插即測功能在軟件中使用了零值檢測跳過技術及無匹配跳過技術,即對濕度信號采集時如采集結果為零說明該路傳感器沒有接入程序將自動跳過該傳感器進行下一路傳感器數據的采集直到相應的傳感器結果不為零時則將該路濕度值和傳感器號送去顯示這樣就可做到濕度傳感器的自動識別功能而溫度的采集則預先將所有的DS18B20的匹配碼全部寫入到單片機片內程序存儲器匹配碼表格區中每周期采集一次溫度值單片機首先發送匹配碼只有能匹配的傳感器才能讀回溫度值否則跳過該傳感器這樣就可實現溫度傳感器的即插即測功能與上位機的數據通信則采用由上位機發送命令碼的方式根據命令碼的內容而執行相應的操作功能
結語
多通道智能溫濕度測試儀研制完成后經實際使用證明具有測量精度高硬件電路簡單使用方便的特點克服了傳統溫濕度儀測量精度低電路復雜調試及標定困難等缺點同時還具有人機界面友好智能化程度高溫濕度測試點數較多且可實現即插即測功能等特點為溫濕度測量的自動化奠定了良好的基礎
