劉 德 全(寧夏師范學(xué)院，寧夏 固原 756000)

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智能溫室溫濕度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與仿真

劉 德 全
(寧夏師范學(xué)院，寧夏 固原 756000)

為了實(shí)現(xiàn)溫室中的溫濕度智能監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一款以PIC18F25K20嵌入式微控制器單片機(jī)作為上位機(jī)，以AM2302溫濕度傳感器作為下位機(jī)，采用EDA虛擬仿真技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行了仿真，實(shí)現(xiàn)了溫濕度值的采集和實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)圖表仿真技術(shù)捕捉到AM2302的時(shí)序圖，分析時(shí)序圖驗(yàn)證了AM2303傳感器的單總線通信協(xié)議算法。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，該電路實(shí)現(xiàn)了溫室溫濕度實(shí)時(shí)采集與顯示，該電路還具有成本低、功耗小，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用可以用干電池或者太陽(yáng)能作為電源。

智能溫室； 溫濕度采集； PIC18F25K20； AM2302

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的問(wèn)題?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)能夠有效提高資源的利用率、改善環(huán)境、降低浪費(fèi)[1]。文獻(xiàn)[2]用數(shù)字型高精度溫濕度傳感器SHT10實(shí)現(xiàn)了溫室溫濕度的顯示，但SHT10上位機(jī)之間通信必需一個(gè)SCL同步時(shí)鐘信號(hào)，如果有一同步信號(hào)不穩(wěn)定，很容易導(dǎo)致整個(gè)采集系統(tǒng)不穩(wěn)定；文獻(xiàn)[3-4]研究了以DS18B20傳感器作為溫度采集，以SHT11/DHT21作為濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫室的多路溫濕度的檢測(cè)，但該電路采用了兩個(gè)傳感器，增加了設(shè)備成本，提高了功耗；文獻(xiàn)[5]利用AM2302數(shù)字式溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)；參考文獻(xiàn)[6]提出了基于溫濕度的多模式溫室設(shè)備控制策略的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)元器件選擇

1.1 溫濕度傳感器選擇

本系統(tǒng)采用AM2302溫濕度復(fù)合型傳感器，該傳感器采用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，內(nèi)含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與高性能的8位單片機(jī)相連，因此其輸出的數(shù)字信號(hào)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)，因此AM2302溫濕度傳感器具有超快相應(yīng)、可靠性、穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能。其信號(hào)以40位串行數(shù)據(jù)輸出，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)20 m以上。AM2302體積很小，為4-SIP封裝，各引腳功能如表1所示[7-11]。

表1 AM2303引腳功能

1.2 單片機(jī)選型

本系統(tǒng)單片機(jī)選用高性能8位單片機(jī)PIC18F25K20，該款單片機(jī)采用了最新的Microchip技術(shù)，融合多種先進(jìn)的納瓦技術(shù)，如電源管理模式、1.8 V至3.6 V工作電壓范圍及高效的片外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)極佳的功耗控制性能。可通過(guò)內(nèi)置振蕩器在3V的工作電壓下實(shí)現(xiàn)16 MIPS(64 MHz)的速度。因此具有低功耗、低成本和高性能的特征。首先，PIC18F25K20內(nèi)集成RISC CPU，主要包括內(nèi)置32KB的Flash ROM(code)、1536B的RAM(data)、256B EPROM、16位指令、8為數(shù)據(jù)、可編程中斷優(yōu)先級(jí)別的中斷源、31級(jí)軟件訪問(wèn)硬件堆棧、8×8單周期硬件乘法器和可支持C語(yǔ)言代碼優(yōu)化；其此PIC18F25K20擁有靈活的振蕩器結(jié)構(gòu)，如精密的16 MHz內(nèi)部振蕩器、4個(gè)鎖相回路(phase lock loop，PLL)等；另外PIC18F25K20還有A-C&E端口、2個(gè)CCP(Capture/Compare/PWM)、主同步串行端口(Master Synchronous Serial Port，MSSP)模塊和增強(qiáng)型通用同步異步接收發(fā)射器等(Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，EUSART)，PIC18F25K20其他特性請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[12]。

2 仿真電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。圖中，PIC18F25K20和顯示其LM016L組成上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和顯示，由于是仿真電路，所以PIC18F25K20的最小系統(tǒng)其他電路沒(méi)有給出。下位機(jī)由AM2302傳感器組成，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)濕度和溫度的實(shí)時(shí)采集。在原理圖中采用英國(guó)Labcenter公司EDA軟件—Proteus進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)與仿真[13-15]，在Proteus仿真庫(kù)中提供了濕度/溫度參數(shù)可調(diào)的AM2302元器件，通過(guò)符號(hào)可在溫度和濕度參數(shù)之間進(jìn)行切換，通過(guò)符號(hào)實(shí)現(xiàn)參數(shù)值的增加、減小。

圖1 溫濕度采集系統(tǒng)原理圖

3 軟件算法實(shí)現(xiàn)

3.1 單總線數(shù)據(jù)格式

AM2302溫濕度傳感器與PIC18F25K20單片機(jī)之間采用單總線通信方式進(jìn)行通信，在不通信的情況下，總線(SDA/DATA)應(yīng)保持高電平，因此在微處理器與總線之間要有上拉電阻，上拉電阻的阻值與總線的長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)總線長(zhǎng)度低于30 m時(shí)，典型值為5.1 kΩ，大于30 m時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)上拉電阻。當(dāng)上位機(jī)沒(méi)有發(fā)出起始信號(hào)時(shí)，傳感器處于低功耗模式，一旦上位機(jī)發(fā)出起始/開(kāi)始信號(hào)，傳感器進(jìn)行入高速轉(zhuǎn)換模式，采集當(dāng)前的濕度、溫度值，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)從總線輸出，其數(shù)據(jù)格式為40 bit，且高位在前，具體數(shù)據(jù)格式如圖2所示，各數(shù)據(jù)功能如表2所示[16-17]。

圖2 40位數(shù)據(jù)格式

在圖1中，濕度值為64.9%，溫度值為36.1 °C，則輸出的濕度值649(64.9×10=649，十進(jìn)制)，其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制為0000 0010 1000 1001；輸出的溫度值為361(36.1×10=361，十進(jìn)制)，其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制為0000 0001 0110 1001。由此可以推出8bit校驗(yàn)值為1111 0101(0000 0010+1000 10001+0000 0001+0110 1001)。因此40bit數(shù)據(jù)為：0000 0010 1000 1001 0000 0001 0110 1001 1111 0101。

表2 40位數(shù)據(jù)格式說(shuō)明

3.2 單總線通信協(xié)議

上位機(jī)與傳感器之間的通信要嚴(yán)格采用上述的數(shù)據(jù)格式，為了保證數(shù)據(jù)的正確接收，要嚴(yán)格遵循圖3所示的通信協(xié)議。該1-Wire通信協(xié)議完全不同Maxim/Dallas公司的1-Wire協(xié)議。

從圖3可以看出，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出開(kāi)始信號(hào)后，即將SDA總線拉至低電平且至少保持1～20 ms，上位機(jī)再將總線拉高20～40μs后釋放總線。當(dāng)AM2302檢測(cè)到起始信號(hào)后，從低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換為快速轉(zhuǎn)換模式，發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，即AM2302將總線拉至低電平，低電平信號(hào)至少保持在50～80 μs，隨后AM2302進(jìn)入準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)階段，即將總線電平拉至高平，高電平信號(hào)至少保持在50～80 μs。響應(yīng)信號(hào)結(jié)束，AM2302以一定的時(shí)間間隔(Timer slot)將濕度、溫度數(shù)字信號(hào)值發(fā)送給上位機(jī)，數(shù)字信號(hào)電平如果保持時(shí)間20～28 μs，認(rèn)為是“0”電平，如果信號(hào)保持在70 μs左右，認(rèn)為是“1”電平。

(a) AM2320溫濕度傳感器與上位機(jī)通信時(shí)序圖

(b) AM2320溫濕度傳感器與上位機(jī)通信時(shí)間時(shí)序圖

(c) 輸出信號(hào)0

3.3 算法流程圖

根據(jù)上述通信協(xié)議，編寫(xiě)相應(yīng)的算法，具體程序流程圖如圖4所示。

3.4 電路仿真及AM2302時(shí)序捕捉

在Proteus平臺(tái)繪制原理圖，并編寫(xiě)程序，最后軟硬件調(diào)試，通過(guò)改變AM2302的溫濕度值，可以看到LCD顯示器能夠?qū)崟r(shí)顯示濕度、溫度值，說(shuō)明設(shè)計(jì)是成功的，效果圖如圖1所示。為了驗(yàn)證上述AM2302單總線通信協(xié)議，在此測(cè)試了其時(shí)序圖[10-12]，設(shè)起始信號(hào)(低電平)時(shí)間18 ms，等待響應(yīng)時(shí)間30 μs，傳感器響應(yīng)時(shí)間50 μs，發(fā)送信號(hào)時(shí)間間隙80 μs，“1”信號(hào)持續(xù)時(shí)間70 μs，“0”信號(hào)持續(xù)時(shí)間25 μs。對(duì)生成的時(shí)序如圖5所示，對(duì)圖5中的86個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間(注意圖5中，開(kāi)始的信號(hào)為高位，令第一個(gè)脈沖序號(hào)為1，以此類(lèi)推。)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果以序號(hào):時(shí)寬格式表示。

在第5個(gè)脈沖開(kāi)始，每隔80 μs輸出串行數(shù)據(jù)0000 0010 1000 1001 0000 0001 0110 1001 1111 0101，這個(gè)數(shù)據(jù)與3.1節(jié)分析的數(shù)據(jù)是一致的。說(shuō)明理論分析與實(shí)際是相吻合的，方法是正確、可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)AM2302通信協(xié)議分析，建立了PIC18F25K20單片機(jī)與AM2302傳感器之間的通訊協(xié)議，在Proteus環(huán)境進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)現(xiàn)濕度、溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和顯示，驗(yàn)證了分析方法的正確性。在實(shí)際應(yīng)用中，改電路性能穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際需求。

圖4 流程圖

圖5 AM2302傳感器測(cè)試時(shí)序圖

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·名人名言·

知識(shí)是一座寶庫(kù)，而實(shí)踐則是開(kāi)啟寶庫(kù)的鑰匙。

——托馬斯·富勒

Design and Simulation of Intelligent Greenhouse Humidity and Temperature Measurement Experiment System

LIUDe-quan
(Ningxia Normal University， Guyuan 75600， China)

In order to realize intelligent monitoring of the temperature and humidity in the greenhouse, the paper presents a humidity and temperature acquisition system. The system includes a microcontroller which is based on an embedded microcontroller PIC18F25K20 as a host and AM2302 humidity and temperature sensor as a slave. By using the EDA virtual simulation technology to simulate the circuit, and realize the collection of data of temperature and humidity is realized and real-time displayed. The advanced simulation technology is used to capture sequence diagram of AM2302 sensor, and timing diagram analysis is used to verify the AM2303 sensor single and bus communication protocol. The circuit is with low cost, low-power consumption and high stability performance. In real application, it can use dry batteries or solar energy as a power source.

intelligent greenhouse; humidity and temperature acquisition; PIC18F25K20; AM2302

2014-06-12

寧夏師范學(xué)院科研基金項(xiàng)目(YB201448)；固原市科技支撐項(xiàng)目；寧夏師范學(xué)院2013年“本科質(zhì)量工程”項(xiàng)目(201312-10)

劉德全(1977-)，男，甘肅白銀人，碩士，講師，主要從事信號(hào)與信息處理研究。Tel.:0954-2079617;E-mail:ldqzhh@163.com

TP 23、F 303.2

A

1006-7167(2015)02-0092-04