龔燕飛，聶宏林

（1.陜西職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安　710100；2.陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司 陜西 西安　710100）

環(huán)境溫濕度實時測控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

龔燕飛1，聶宏林2

（1.陜西職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安710100；2.陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司 陜西 西安710100）

單片機具有低功耗、擴展靈活、使用方便、控制效果好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類儀器儀表中，與不同的類型的傳感器相互結(jié)合達到檢測功率、電壓、溫度、速度、濕度等物理量的目的。為有效控制實驗室溫濕度，文中研究基于PIC16C73單片機為核心的溫濕度實時測控裝置，詳細介紹溫濕度控制裝置的各組件設(shè)計參數(shù)及性能，實現(xiàn)實時監(jiān)測與控制環(huán)境溫濕度的目的。同時，本次設(shè)計的測控裝置附帶通信接口及多點時間控制線路，能夠廣泛應(yīng)用于各類溫濕度控制場所。

環(huán)境溫濕度；測控裝置；PIC16C73單片機；設(shè)計

環(huán)境條件下溫度和濕度指標是多數(shù)場所的重要參數(shù)值，在倉庫管理、工業(yè)測量與計量等方面均需保障溫濕度指標達到規(guī)定要求。眾所周知，溫度和濕度作為不易保障的指標，因此，研究一種有效、適用的溫濕度測控裝置成為必然選擇。文中基于PIC16C73單片機設(shè)計能夠在0～50℃與20～98%RH范圍下可以設(shè)定的溫濕度值，并配備通信接口便于與互聯(lián)網(wǎng)實施及時通信，確保溫濕度指標滿足設(shè)計要求。

1　設(shè)計實時測控系統(tǒng)硬件

為滿足對不同測控點的監(jiān)控和管理工作，本次設(shè)計的溫濕度控制系統(tǒng)采用PIC16C73單片機作為控制核心，結(jié)合傳感器、通訊等技術(shù)實現(xiàn)有效檢測和控制溫濕度的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PIC16C73單片機是Microchip公司生產(chǎn)的高性能微控制器，與其它價格相當?shù)目刂破鞅容^，主要包括高性能存儲器、復位電路、I/O接口等部分，該控制器只設(shè)置35條單字節(jié)指令，將所有跳轉(zhuǎn)周期為2周期指令的去除，其它設(shè)置均為單調(diào)期指令。PIC16C73單片機芯片集成8位算數(shù)邏輯單元、192格數(shù)據(jù)寄存器、22個I/O口、2個串行口等，并設(shè)有時鐘、看門狗定時器等裝置。PIC16C73外接溫濕度采樣電路和電氣驅(qū)動電路，達到合理控制環(huán)境溫濕度的目的。

圖1　溫濕度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1設(shè)置溫度檢測電路

文中設(shè)計的溫濕度測控儀器采用數(shù)字溫度傳感器DSI820作為溫度檢測電路的器件，這個器件只有電源（VDD）、數(shù)據(jù)線（DQ）、地線（GND）3個引腳，共同使用一條數(shù)據(jù)線完成通信操作，無需另設(shè)繁瑣的外部元件，溫濕度檢測系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。通過I/O線實現(xiàn)通信，DS1820電源電壓使用寄生的方法達到供電的效果，只需將VDD、GND端進行接地即可運行。本次設(shè)計的測控系統(tǒng)電路檢測溫度和精度分別為：-55～+125℃、0.5℃，本次設(shè)計使用三塊DS1820完成對環(huán)境溫度檢測，這種設(shè)計保持溫度處于恒定狀態(tài)。

圖2　溫濕度度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

獲得溫度數(shù)據(jù)信息后，采用PIC16C73（RA2腳）發(fā)出1MS復位脈沖，進行復位操作后由PIC16C73發(fā)布相關(guān)的回應(yīng)脈沖，系統(tǒng)接收回應(yīng)脈沖后讀出ROM命令，依次讀取三個DS1820序號。完成溫度轉(zhuǎn)換之后，單片機通過RA2腳發(fā)出一系列存儲指令，達到轉(zhuǎn)換或讀取環(huán)境溫度信息的效果。

1.2設(shè)計合理的濕度檢測電路

環(huán)境溫濕度測控系統(tǒng)采用電容式溫敏傳感器當做檢測器件，設(shè)計者應(yīng)把電容值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯蝾l率，從而采集恰當合理的數(shù)據(jù)信息。使用EL7556完成轉(zhuǎn)換操作，EL7556包括積分電路、頻率轉(zhuǎn)換電路等部分組成，積分電路與R1、R2用來生產(chǎn)相應(yīng)的脈沖信號通過5腳傳送至8腳。借助R2能夠及時調(diào)整脈沖信號頻率，確保濕度傳感器線性、靈敏度處在最佳狀態(tài)。本次研究采用MXS型電容式濕度傳感器作為振蕩電容，將濕度轉(zhuǎn)換成頻率。濕度傳感器僅保障傳感探頭的進度，具體使用時，綜合精度不單與濕度傳感器自身元件有關(guān)，也與選擇的外圍電路器件有關(guān)。為確保與濕度系數(shù)相互匹配，R1應(yīng)取1%的進度，最大溫票不得大于100*10-6。當RH= 55%，TA=+25°時，輸出方波頻率與相對濕度數(shù)據(jù)如表1。

表1　相對濕度與輸出頻率對照

1.3設(shè)計鍵盤電路

環(huán)境溫濕度測控裝置的鍵盤電路共有16個按鍵，0～9按鍵代表10個數(shù)字鍵，A和B字母分別代表設(shè)定功能選擇鍵、完成確定鍵，C字母表示顯示選擇鍵，D～F實現(xiàn)處理語音、通信等各項功能，采用4位LED動態(tài)顯示溫濕度。

1.4設(shè)置合理的定時及控制驅(qū)動電路

系統(tǒng)設(shè)計上電復位電路、手動復位電路，便于系統(tǒng)在上電初始化狀態(tài)處于確定的狀態(tài)運行。定時具有提前預熱儀器、定時語音等功能，時鐘頻率設(shè)置為32.768 kHz，系統(tǒng)設(shè)定的頻率確保單片機處在最小功耗下轉(zhuǎn)化成分頻、定時程序進行編寫。采用看門狗電路作為定時基準，定時查詢單片機運行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常即可延時重啟單片機，確保系統(tǒng)安全的運行。本設(shè)計中采用MAX813L芯片作為硬件看門狗，其一段與單片機復位端相連提供相應(yīng)的復位信號，看門狗電路如圖3所示.

圖3　硬件看門狗電路簡圖

測控溫濕度系統(tǒng)設(shè)定控制驅(qū)動電路具有保護相關(guān)儀器的功能，各電磁閥導通應(yīng)設(shè)置合理的時間間隔，本次設(shè)計時間間隔為2 min。推薦方式如下：6：00將電磁閥1導通，與穩(wěn)壓電源相互連接。6:02后每隔2 min接通一個相對應(yīng)的設(shè)備。如此操作，在8:00時確保部分需要預熱的儀器設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，在一定程度上提升工作效率。電器驅(qū)動電路控制設(shè)備主要由風機、加濕器、空調(diào)機等部分組成，可借助過零型固態(tài)繼電器進行控制。設(shè)計時采用PIC16C73單片機RA3作為控制口，可以外擴兩片PCF8574作為備用設(shè)備。

2　測控裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計要點

軟件系統(tǒng)主要包括主程序、為適度檢測程序、控制驅(qū)動程序等部分，主程序采用循環(huán)工作方式，實現(xiàn)鍵盤掃描、檢測環(huán)境溫濕度、循環(huán)調(diào)用等功能。

2.1設(shè)計系統(tǒng)主程序

主程序是整個溫濕度測控裝置的的核心器件，當系統(tǒng)上電后設(shè)定定時器和中斷處理初始化操作。進行初始化操作，針對系統(tǒng)設(shè)計的溫濕度、查看除去定時器之外所有操作中斷禁止，同時斷開與各個電器之間的電源。初始化操作完成后，系統(tǒng)能夠自行恢復至正常工作狀態(tài)，并開展檢測溫濕度、定時處理等操作，具體工作流程如圖4。

圖4　軟件系統(tǒng)主程序框圖

2.2設(shè)置恰當?shù)奶幚碜映绦?/p>

溫濕度測控裝置采用DS1820為溫度傳感器，這種傳感器軟件編寫較為簡單，其輸入單片機系統(tǒng)的的信號約為9個數(shù)字信號，不需要進行轉(zhuǎn)換。必須注意，如果軟單片機向溫度傳感器發(fā)布的復位脈沖應(yīng)大于1 ms，確保軟件系統(tǒng)能夠正常工作。出現(xiàn)上述情況與傳感器設(shè)定的寫時間有著密切的關(guān)系，使用軟件實施寫0后開始寫1前，必須設(shè)定800低脈沖，確保不會出現(xiàn)數(shù)字寫錯誤的情況。由于單片機設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器，因此，參考電壓設(shè)置為器件正電源電壓，通過RA0引腳與模擬電壓進行連接，從而轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。測控裝置中A/D模塊一共設(shè)置控制寄存器0、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器和控制寄存器1 3個寄存器，其中，A/D控制寄存器0主要控制A/D模塊的運行情況。如果寄存器設(shè)定的上電復位值為0H，實際讀取操作時也0，無法完成寫操作，其它位能夠讀寫。下文采用RA0通道為研究對象，A/D轉(zhuǎn)換程序如圖5。

圖5　RA0通道A/D部分轉(zhuǎn)換程序

3　結(jié)束語

總之，文中基于PIC16C73單片機設(shè)計的溫濕度實時測控裝置具有最佳的應(yīng)用價值，本次設(shè)計采用DS1820傳感器實現(xiàn)溫度采樣工作，便于集中控制多個地點溫度采樣數(shù)據(jù)，配備RS-232接口便于上位機進行連接，實現(xiàn)合理監(jiān)測、控制溫濕度的目的。

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The design and implementation of a real-time environmental temperature and humidity measurement and control device

GONG Yan-fei1，NIE Hong-lin2
（1.Shaanxi Vocational&Technical College，Xi’an 710100，China；2.Shaanxi Zhongsheng Environmental Technology Development Co.，Ltd.，Xi’an 710100，China）

Single chip microcomputer with low power consumption，flexible extension，easy to use and control effect is good wait for an advantage，widely used in all kinds of instruments and meters，mutual combination of different types of sensors to detect the power，voltage，temperature，speed，humidity，etc.The purpose of the physical quantity.To effectively control laboratory temperature and humidity，this paper studies real-time measurement and control device based on PIC16C73 singlechip microcomputer as the core temperature and humidity，temperature and humidity control device are described in detail the components of design parameters and performance，the purpose of real-time monitoring and controlling environmental temperature and humidity.At the same time，the design of the measurement device with the control circuit，communication interface and more time can be widely used in all kinds of temperature and humidity control.

environmental temperature and humidity；measurement and control device；PIC16C73 microcontroller；design

TN99

A

1674-6236（2016）14-0130-03

2015-05-06稿件編號：201505057

龔燕飛（1983—），女，吉林四平人，碩士，助教。研究方向：環(huán)境污染，農(nóng)林生物。