孫 燕,鄔天達,朱鵬健
(中國地質(zhì)大學(武漢)機械與電子信息學院,湖北 武漢 430079)
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以分為溫濕度采集模塊、濕濃度轉(zhuǎn)化模塊、數(shù)據(jù)顯示及報警模塊,通訊模塊四部分。具體實施過程:首先通過PC機設(shè)定溫度、濕度、濃度三個物理量相應的閥值,傳送給MCU。然后使用DS18B20、HS1101相應的傳感器、MQ-7一氧化碳檢測模塊等,分別對溫度、濕度、一氧化碳濃度進行采集,將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后傳送給MCU。然后MCU將當前測得值送到LCD1602,實時直觀的顯示出來。同時MCU判斷當前值與預設(shè)值的大小關(guān)系,當采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閥值時,蜂鳴器報警,提示人們采取措施。最后,為了滿足對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理(如統(tǒng)計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等)的需要,本項目特增加了上位機存儲顯示,將數(shù)據(jù)從檢測裝置送至計算機,供以后數(shù)據(jù)的深入處理。
主要環(huán)節(jié):通過PC機輸入三個物理量相應的閥值,傳送給MCU。用按鍵選擇分別進行溫度、濕度、濃度的采集。
當采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閥值時,蜂鳴器報警。將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給MCU,如圖1所示。
圖1 硬件總體框圖
為了對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理(如統(tǒng)計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等),需將數(shù)據(jù)從檢測裝置送至計算機。
(1)DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理:DS18B20主要由4部分組成:電壓范圍寬,3.0V~5.5V,轉(zhuǎn)換速率快,在9位分辨率時最多在93.75mS內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字,在12位分辨率時最多在750mS內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字,內(nèi)有64位ROM、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同,這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。
DS18B20具有兩種溫度存儲方式;9位和12位存儲。9位存儲時最小位為0.5,12位存儲時最小位為0.0625。當溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后,經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二進制補碼形式存在高速緩存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù),讀取時,低位在前,高位在后。
(2)溫度傳感器DS18B20與單片機的連接方式:一種是寄生電源供電方式。在這種供電方式中,DS18B20的VDD和GND連接,DQ和單片機的一個I/O口連接,并設(shè)一個4.7K的上拉電阻。DS18B20從單線信號線上汲取能量:在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里,在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作,直到高電平到來再給寄生電源(電容)供電。
另一種是外部電源供電方式,DS18B20工作電源由VDD引腳接入,此時I/O口線不需要強上拉,不存在電源電流不足的問題,可以保證轉(zhuǎn)換精度,同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器,組成多點測溫系統(tǒng)。
其中外部供電方式是DS18B20的最佳工作方式,工作穩(wěn)定可靠,抗干擾能力強,而且電路也比較簡單,可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2所示。
圖2 DS18B20與單片機連接方式
電容型濕度傳感器hs1101基于獨特工藝設(shè)計,其可以工作在-40℃ ~+100℃范圍內(nèi),而且電容值與濕度具有較好的線性度。
圖3 濕度轉(zhuǎn)換模塊
圖3電路為典型的555非穩(wěn)態(tài)電路。HS1101作為電容變量接在555的TRIG與THRES兩引腳上,引腳7用作電阻R4的短路。等量電容HS1101通過R5與R4充電到門限電壓約0.67Vcc,7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成對電容的放電回路,構(gòu)成一個典型的多謝振蕩器。輸出端為一固定頻率方波。其工作循環(huán)可以描述如下:
T_high=C@%RH*(R2+R4)*ln2T_low=C@%RH*R2*ln2
為了使循環(huán)時間降低50%,則與R4相比R5應該非常小但是不要低于最小值,電阻R7是為了短路保護。555必須為CMOS。
輸出頻率F與濕度之間關(guān)系:
RH(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100頻率(Hz) 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033
圖4 一氧化碳測量模塊
上圖是一氧化碳濃度檢測模塊,3為模擬量輸出0~5V電壓,濃度越高電壓越高。2為TTL輸出,其有效信號為低電平,可直接接到單片機I/O口。
上述一氧化碳濃度檢測模塊主要由LM393、QM-N10氣體傳感器等芯片構(gòu)成。ZYMQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體,最常用的如SnO2。金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時,氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面,半導體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上,氧原子就變成了氧負離子,同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層,導致表面勢壘升高,從而阻礙電子流動。
當一氧化碳濃度升高時,電阻值減小,經(jīng)過和R2分壓,可知道2端模擬輸出電壓增大,輸入到LM393電壓比較器芯片,輸出TTL電平0或1,然后輸入到單片機進行檢驗。項目實際操作中,將2端的模擬電壓輸入到ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器,再將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到單片機,通過單片機判斷其對應的濃度值,再送到LCD1602顯示。
在很多領(lǐng)域里,需要對這些環(huán)境參量做到精確測量。如:農(nóng)業(yè)生產(chǎn),科學的控制上述三種參數(shù),可以使農(nóng)作物更好的生長,增產(chǎn)增收,取得更好的經(jīng)濟效益。因此,本項目的設(shè)計具有廣泛的應用前景。運用所學,將理論知識用于實踐,增強思考和動手能力。同時,本項目組齊心竭力,深刻體會到團隊合作的重要性。
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