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        單總線分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計

        2012-09-21 10:43:38劉海成
        關鍵詞:低電平高電平布線

        劉海成

        (黑龍江工程學院,哈爾濱 150050)

        引 言

        對環(huán)境條件要求高的場合,需要精密地測量相對濕度與溫度,尤其是實驗室中很多實驗數(shù)據需要與溫濕度一一對應。然而,監(jiān)測環(huán)境一般是幾十到上百平方米的范圍,僅監(jiān)測一點的溫濕度是不夠的,需要分布多個傳感器節(jié)點,將各個節(jié)點的傳感結果平均值作為環(huán)境參數(shù)。通常的方法是構建RS485分布式現(xiàn)場總線,每個傳感器節(jié)點都需要單片機和通信器件,成本較高。

        DHT22數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性[1]。每個DHT22傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。濕度測量范圍為0~100%RH,精度為±2%RH;溫度測量范圍為-40~125℃,精度為±0.5℃。單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。DHT22具有體積小、功耗低、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等特點,信號傳輸距離可達20m以上,適合于分布式應用。

        但是,DHT22的單總線不支持尋址,也就是說單總線僅能掛接單個DHT22傳感器。若每個傳感器都單獨布線,勢必造成浪費。因此,合理的傳感器接口方式是設計的關鍵。本文采用4個DHT22單總線智能溫濕度傳感器實現(xiàn)分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

        1 監(jiān)測系統(tǒng)結構及接口設計

        系統(tǒng)結構及接口如圖1所示。4個DHT22傳感器需要4根數(shù)據線,加上電源和地線共6根線。系統(tǒng)采用雙絞線作為分布式連接線路,RJ45作為接口器件。核心板設計了4個RJ45接口,4個傳感器可分別接入4個接口。核心板的4個RJ45接口內部連接一致,當布線不超過20m時,傳感器可采用咬尾式接口方式(即僅接入核心板的1個接口),當超過20m時單獨布線,大幅節(jié)約了布線成本,降低了布線難度。

        也就是說,每個傳感器節(jié)點的內部結構需要具備兩個功能:

        ① 每個傳感器節(jié)點具有兩個直通連接的RJ45接口,以實現(xiàn)咬尾式連接;

        圖1 系統(tǒng)結構及接口

        ② 每個傳感器節(jié)點能夠設定通信線路,因為每個傳感器獨享1根線路。

        傳感器節(jié)點內部結構框圖如圖2所示。4個傳感器DHT22的DATA引腳通過4位撥碼開關分別連接至4根數(shù)據線即可。

        圖2 傳感器節(jié)點內部結構框圖

        2 DHT22的總線接口協(xié)議

        DHT22采用OC門單總線通信協(xié)議,因此單總線必須接上拉電阻,建議為5.1kΩ。

        對DHT22進行一次40bit數(shù)據的通信,時間為5ms左右,采用MSB方式,但采樣周期間隔不得低于2s。40 bit數(shù)據的數(shù)據格式為:

        40bit數(shù)據=16bit濕度數(shù)據+16bit溫度數(shù)據+8bit校驗和(前4個字節(jié)的和)

        16bit濕度數(shù)據為無符號數(shù),16bit溫度數(shù)據為有符號數(shù)原碼表示,兩數(shù)據都為放大10倍后的真實物理量值。例如:0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110,對應濕度=65.2%RH,溫度=35.1℃。

        用戶主機(MCU)發(fā)送一次開始信號后,DHT22從低功耗模式轉換到高速模式;主機開始信號結束后,DHT22發(fā)送響應信號,送出40bit的數(shù)據,并觸發(fā)一次信號采集。

        DHT22的單總線握手信號時序如圖3所示??臻e時總線為高電平,通信開始時主機(MCU)拉低總線1~10 ms后釋放總線,延時20~40μs后主機開始檢測從機DHT22的響應信號(一個80μs左右的低電平),隨后從機拉高總線80μs左右準備進行數(shù)據傳送。每bit數(shù)據都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙固定為一個50μs左右的低電平,它代表數(shù)據位的起始;其后的高電平的長度決定數(shù)據位所代表的數(shù)值,較長的(70 μs)高電平代表1,較短(26~28μs)的高電平代表0。40 bit數(shù)據序列傳送完畢后,從機將再次拉低總線50μs左右,隨后釋放總線,由上拉電阻拉高[1]。

        AVR單片機讀取單個DHT22的子程序如下:

        圖3 DHT22的單總線握手信號時序

        3 核心板軟件設計

        核心板軟件包括3個部分:4個傳感器信息采集及處理、液晶顯示和PC溫濕度信息上傳。這里僅討論4個傳感器信息的采集及處理。

        單片機每隔2s就分別讀取4個傳感器的溫度與濕度信息,并分別作平均得到溫度值和濕度值。為進一步實現(xiàn)準確測量,建立兩個8成員的數(shù)組,系統(tǒng)引入8階FIR濾波器。根據采樣頻率fs=1/(2s)=0.5Hz,截止頻率fc=0.1Hz,利用Matlab環(huán)境的fir1函數(shù)獲取濾波器系數(shù):

        可得:

        軟件流程如圖4所示。

        結 語

        圖4 軟件流程圖

        本文采用4個DHT22單總線智能溫濕度傳感器實現(xiàn)了分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)結構簡單,安裝調試方便,在同類儀表的開發(fā)中具有廣闊的應用前景,特別適合于在工業(yè)加工的精密測試中心、實驗室以及對加工材料的存放有較高要求的環(huán)境中使用,還可以應用于居住環(huán)境的監(jiān)測。本系統(tǒng)已經成功應用,性能穩(wěn)定可靠,測量精度高,智能化程度高,使用簡便,性能價格比高,受到了用戶的普遍歡迎。

        [1] 廣州奧松電子有限公司.數(shù)字溫濕度傳感器AM2302,2009.

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