基于单片机的温湿度采集系统的硬件结构设计

摘要：采用AT89C2051单片机为核心配置，以温湿度传感器SHT75、数码管显示、计算机监控系统等部件，通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据，并通过RS485总线来实现PC上位机与单片机控制模块半双工串行通信。微控制器AT89C2051通过I2C总线控制传感器的测量和数据回传，每次将采集到的5组数据经过计算，修正及补偿后分别传送到PC端存储和显示模块进行实时显示。经过实验测试得出结论：温度测量精度为±0.3℃，湿度测量精度为±2%RH，各项指标均达到了课题的设计要求。
   在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度可独立测量，而湿度却受其他因素（大气压、温度）的影响。
   利用AT89C2051单片机强大的功能，同时结合智能传感器SHT75测量温湿度有快速和使用简便等特点，设计了一个温湿度采集系统来对温湿度进行实时监控。通过对实际环境的温湿度测量，证明了该系统硬件电路布局设计简单合理，体积小，功能齐全，精度高，成本低，性价比相当高，是一款可以普及化的高精度温湿度参数检测仪。
   1 温湿度采集系统的硬件设计
   1.1 系统总体设计方案
   为了实现课题对监控机构的稳定性好、精度高、实用性强的要求，比较众多温湿度测量方案，系统采用智能传感器SHT75和AT89C2051单片机构成，通过SHT75对各环境内的温度、湿度参数实时检测，经传感器芯片内A/D转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中，单片机通过发送读取温湿度传感器温湿度命令码，温湿度传感器就返回对应的参数值，本系统带RS485通讯接口可连接监控主机或PC，通过监控主机或PC来实时查看当前温度和湿度值，并可在监控主机或PC上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。系统功能模块框图如图1所示。
   
图1 系统功能模块图
   1.2 芯片选择
   1.2.1 温湿度传感器
   鉴于测量环境特殊要求，温湿度检测模块不可能做得很大，而且系统要求响应灵敏，测量精度要高，温度小于等于±0.3℃，湿度小于等于±1.8%，稳定性能良好，因此采用了瑞士生产的SHT75温湿度传感器。
   1.2.2 微处理器
   该芯片主要是控制温湿度采集，数据处理，实时温湿度显示及通信，那么对微控制器的端口需求较少，而且从测量系统对本模块体积限定等诸多因数来考虑，系统选用ATMEL公司推出的AT89C2051，它是目前比较主流的单片机芯片，20个引脚，其中包括15个I/O口，复位和外部时钟驱动端，一个全双工串行通信端口，5个中断源等，128B的内部RAM，2kB的内部ROM空间。
   1.2.3 隔离芯片
   鉴于长距离驱动数码管显示实时采集的温湿度数值，为了使显示的稳定性和可靠度增强，采用了两片6N137光电隔离芯片来驱动串行输入并行输出7片74LS164芯片，其中6片控制6个数码管显示温湿度，1片用于控制4个LED灯显示系统状态。
   1.2.4 看门狗芯片
   为了监控检测模块工作正常，看门狗电路和芯片是单片机开发系统必不可少的部分，采用的X25054看门狗芯片主要功能有监控电源，防止运行程序跑飞，扩充控制芯片存储空间等。
   1.2.5 通信接口
   数据采集包括单片机对温湿度传感器数据采集，还包括PC对单片机数据采集和处理。系统采用的是RS485接口，它是一种半双工串行通信接口，采用平衡差分的传输模式，比RS232接口提高了传输的速率和增加了传输距离，目前广泛运用于数据采集通信系统。
   1.3 系统原理图的绘制
   本系统采用AT89C2051单片机作为控制核心，系统主要包括温湿度传感器、CPU、通讯接口等部件。电路图的绘制采用Protel DXP 2004开发工具，在设计PCB板的时候，应特别注意电磁兼容性设计、地线设计、去耦电容配置等几个方面。
   电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。在双面PCB板中，上下两层信号线的走线方向要尽量相互垂直或斜交叉，避免平行走线，以减少寄生耦合的产生。
   在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。地线设计中应根据电路特性，正确选择单点接地与多点接地，对高频电路要采用多点接地，并尽量加粗接地线，接地线的宽度一般为普通走线的2倍，而且要将接地线构成闭合环路。
   在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。因为在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。合理配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，提高PCB板的可靠性。
   温湿度采集模块PCB板制作包括主控系统板制作和实时数据显示板制作，最终设计的PCB图如图2和图3所示。
   
图2 温湿度采集模块
   
图3 实时数据显示模块
   1.4 系统实物图
   最终参数采集及实时显示模块实物图如图4所示。
   
图4 参数采集及实时显示模块原理图
   2 实验测试结果与分析
   2.1 第一组实验数据
   该系统调试后在室内进行了模拟测试，检验了系统的测试效果以及测试精度。在数据处理时，采用大量的测量数据统计分析来减少误差，并对运行结果进行了记录分析。实验第一组数据如表1所示。
   表1 第一组实验测量数据

   在温湿度传感器未经修正时，温湿度传感器采集到的数据与标准计数相比较，其数据偏差即将接近本系统所要达到的期望值，但还有待改进。
   2.2 传感器的补偿和修正
   为了补偿温湿度传感器的非线性以获取准确数据，使用如下公式（1）修正输出数值：
   
   RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH（1）对高于99%RH的那些测量值则表示空气已经完全饱和，必须被处理成显示值均为100%2RH。湿度传感器对电压基本上没有依赖性。
   当实际测量温度与25℃相差较大时，应考虑湿度传感器的温度修正系数，使用如下公式（2）。
   
   2.3 第二组实验数据
   根据公式（1）、（2）对传感器进行修正补偿后得到实验第二组数据如表2所示。
   表2 第二组实验测量结果

   从以上结果可以看出：经过补偿和修正以后，使温度传感器测量数据的温度精度小于等于0.2℃，湿度精度小于1.0%RH，达到了系统的设计要求，满足了温度精度为±0.3℃和湿度精度±2.0%RH的课题测量要求。
   3 结论
   本文介绍的温湿度采集系统硬件的设计，创新点在于针对温度和湿度的测量特点，采用SHT75系列数字温湿度传感器，可与单片机直接相连，并且由于它温湿一体的高度集成化，改变传统温湿度变送器硬件包含温度传感器、湿度传感器、信号处理器、A/D转换等部分，从而简化外围电路并降低成本，提高了电路工作的可靠性和稳定性，达到了较高的性价比。通过对实际环境的温湿度测量，证明了该系统硬件电路布局设计简单合理，体积小，功能齐全，精度高，成本低，性价比相当高， 是一款可以普及化的高精度温湿度参数检测仪。
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