全数字化温湿度测量技术及仪器研制

第19卷　第2期2006年4月传感技术学报CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.19　No.2Ap r.2006Development of All 2Digital I ntelligent I nstrument for Measuring T emperature 2H umidityGUO Yong 2cai ,C H EN Zhao ,GA O ChaoCollege of Opto 2Elect ronic Engineering ,Key L ab f or Opto 2elect ronic Technology and S ystem of Minist ryof Education ,Chongqi ng Uni versit y ,Chongqing 400044,ChinaAbstract :Aiming at technical deficiency of low performance and few intelligent f unctions ,we p resent an all 2digital solving scheme t hat is adapted to environmental 2at mo sp heric temperat ure 2humidity o n 2line measure 2ment and make technology realization.The developed inst rument uses t he most advanced digital sensor and is of high intelligence and measuring accuracy.Wit hout A/D convertor ,t he inst rument consist s of sen 2sors ,slave chip 2p rocessor and PC software.It is designed wit h many intelligent f unctions as multi 2sen 2sors ,large 2capacity memory ,dynamic displaying ,data p rotection during power lo ss ,automatic watch and communication wit h PC.K ey w ords :temperat ure 2humidity measuring ;intelligent sensor ;chip 2processor EEACC :7320R全数字化温湿度测量技术及仪器研制郭永彩,陈　钊,高　潮(重庆大学光电工程学院,教育部光电技术及系统重点实验室,重庆400044)收稿日期:2005206203作者简介:郭永彩(19632),女,教授,博士生导师,研究方向为光电测控技术与智能仪器,ycguo @摘　要:针对现有温湿度测量仪整机性能不高、智能化功能单一的不足,提出了一种适于环境大气温湿度在线监测的全数字化测量方案并进行了仪器实现。

该测量仪由数字化微型智能传感器、下位机和PC 机测量软件组成。

系统中无A/D 转换单元;具有测量精度高、接口简单、无需标定、大容量数据存储的特点和多点位测量、巡回显示、数据掉电保护、自动时钟和与PC 机通讯等多项智能化功能。

关键词:温湿度测量;智能传感器;单片机中图分类号:TP212.6 文献标识码:A 文章编号:100421699(2006)022******* 环境的温湿度是影响物品存储时效的两个重要物理量,对温湿度的测量和监测在诸如仓储系统应用场合中获得了广泛应用。

目前的温湿度测量仪整机性能不高、智能化功能较为单一;传感器普遍采用第一、二代产品,特点是非智能化、单参数测量、模拟信号输出、标定繁琐、离散性较大导致互换性差,整机开发时间长、成本高,不利于量化生产。

本文针对现有技术存在的不足,就温湿度测量仪在传感器的选型和测量仪的智能化方面进行改进,提供了一种适于大气环境的全数字化温湿度智能测量仪。

该测量仪以单片机为核心,优化电路设计,传感器采用第三代智能型产品,整机性能明显提高,并具有多点位、长程传输、自动时钟、巡回显示、大存储容量、数据掉电保护和通讯等智能化功能。

1　测量系统的组成如图1所示,测量系统由微型智能传感器sht XX 、下位机(虚线框内所示)和PC 机软件组成。

传感器输出数字信号,通过串行接口和下位机的单片机直接通讯。

下位机以单片机为核心,将传感器输出的温湿度数据进行处理、存储和显示,在用户需要的时候将保存的数据通过通讯接口上传给主机,在那里建立数据库并形成数据报表提供给用户使用。

图1　系统组成框图2　全数字化测量及传感器读写控制2.1　传感器如图2所示,传感器通过两线串行接口和下位机的单片机I/O 口直接相连,无需A/D 转换,和过去的测量系统相比,大大简化了传感器和单片机之间的接口。

图2　传感器和单片机连接图微型智能传感器SH TXX ,通过CMOSens 技术将温湿度传感器、放大和A/D 电路、串行通讯接口及传感器标定数据集成在一个芯片上,无需外围元器件,具有高度的可靠性和和长时间的稳定性。

SH TXX 传感器可测量温度、相对湿度和露点等参数,温湿度测量分辨率可编程设置(温度8/12bit ,湿度12/14bit ),数据通讯具有CRC 校验功能。

SH TXX 传感器的测量范围宽,温度-40～+123℃,湿度0～100%;精度高,其测量精度曲线如图3所示;重复性好,温度±0.1℃,湿度±0.1%;湿度的漂移小于1%/年。

此外,SH TXX 传感器还具有输出响应时间短、输出数据无需标定、数据一致性好(可互换)、体积小、供电范围大、功耗低等优点。

(a )　湿度精度曲线(b )　温度精度曲线(c )　露点精度曲线图3　SH TXX 传感器测量精度曲线2.2　传感器读写控制在DA TA 和SC K 信号的紧密时序配合下,单片机实现对传感器的读写操作。

如图4是12bit 精度湿度测量时序图,其中,粗线表示该线由传感器控制,细线表示该线被单片机控制,在SC K 脉冲顶部对DA TA 线的读写有效。

单片机对传感器的读写操作由几部份组成,即:起始脉冲、控制命令、数据、校验码和确认位。

图4　12bit 精度湿度测量时序图单片机对传感器的任何读写操作都以起始脉冲开始,即当SC K 为高电平时,单片机将DA TA 变低,接着将SC K 变低,当SC K 再次为高电平时,DA TA 变高电平,起始脉冲完成。

紧接着单片机在DA TA 线上串行写入一个字节的控制命令(高位在先,低位在后),命令字节的最高三位是传感器的地址(目前不支持),全为0,低五位是有效指令位。

控制命令字节为05H 表示测量湿度;03H 表示测量温度;07H 、06H 分别表示读写传感器内部状态寄存器;1EH 表示软件复位传感器;其余值为传感器保留。

写命令字节完成后,如果传感器在SC K 第8个脉冲的下降沿将DA TA 拉低(确认位),表示传感器正确接收到了控制命令。

在SC K 第9个脉冲的下降沿,传感器将DA TA 线释放交给单片机控制。

892传　感　技　术　学　报2006年传感器在正确接收到控制命令后,单片机必须等待传感器测量过程的完成,等待时间在8/12/14bit 精度测量时大约为11/55/210ms 。

测量过程结束,传感器主动把DA TA 线变低。

在SC K 脉冲的驱动下,传感器将测量结果串行写到DA TA 线上(高位在前,低位在后)供单片机读取。

对于两个字节的数据,单片机须在字节间插入一个确认位。

单片机把数据读取完毕后,如果还要读取一个字节的校验码,应在数据后加上一个确认位。

缺省的确认位表示单片机结束对传感器的读写操作,方法是在SC K 的第8个脉冲下降沿,单片机将DA TA 置高电平,在SC K 线上发出第9个脉冲。

传感器的数字输出经过简单的数学运算就能得到实际的温湿度值。

设测量温度时传感器的输出为so T ,实际被测温度值为:T =d 1+d 2・SO T其中,d 1,d 2为常数。

如果测量湿度时传感器的数字输出为SO RH ,经过非线性补偿后的实际被测相对湿度值为:[R H ]linear =c 1+c 2・SO RH +c 3・SO 2RH 温度补偿后相对湿度值为[RH ]true =(T -25)・(t 1+t 2・SO RH )+[RH ]linear 其中,c 1,c 2,c 3,t 1,t 2为常数,SO 为传感器的输出。

3　下位机设计与实现3.1　下位机硬件设计下位机以C52系列单片机为核心,直接连接了多个传感器,主要由以下几部分组成:电源、单片机、高精度时钟、铁电存储器、显示驱动、通讯接口等电路。

高精度时钟芯片DS12887为系统提供精确的年、月、日、星期、小时、分、秒等时间信息,并为单片机提供可编程定时中断信号。

单片机通过并行接口P0对DS12887进行读写操作。

DS12887内部具有128byte RAM ,时钟使用了其中14byte ,包括10byte 时间信息和4byte 状态、控制字节。

时间信息存放在系统00H ～09H 的地址单元中,剩余的114byt RAM 可提供给系统使用。

可编程显示驱动芯片MAX7221通过两线串行接口和单片机通讯,接收并存储显示数据,可实现对八个数码管的动态扫描驱动。

MAX7221内部具有控制寄存器和显示数据SRAM ,单片机对MAX7221寄存器、SRAM 写数据和对传感器的操作相似,在CL K 脉冲的驱动下(上升沿有效),在DIN 线上串行写入两个字节的数据,其串行数据的格式如图5所示。

当ADDRESS 为0H 、F H 及9H ～CH 时,对控制寄存器操作;当ADDRESS 为1H 时,D7～D0写入第一个数码管的显示数据,同理,为8H 时,D7～D0写入第8个数码管的显示数据。

图5　MAX7221串行数据格式非易失铁电存储器FM24C256为系统提供了大容量数据存储空间,单片存储容量高达32kbyte ,并可通过阵列的形式将系统存储容量扩展到数百千字节。

单片机通过两线串行总线和FM24C256通讯,在串行总线上,可以连接多达8块FM24C256芯片组(视单片机的驱动能力而定),对具体某块芯片的操作靠串行数据中的器件地址(Slave Ad 2dress )来区别,如图6所示。

FM24C256芯片有三个地址引脚A2,A1,A0,只有当芯片的硬件地址连接和器件地址中的A2,A1,A0位相一致时,该芯片才被选中。