孟凡智，盧國(guó)朋

(1.沈陽(yáng)華晨金杯汽車(chē)有限公司 海獅涂裝車(chē)間，遼寧 沈陽(yáng) 110044； 2.沈陽(yáng)北冰洋食品工程有限公司 技術(shù)部，遼寧 沈陽(yáng) 110164)

基于ATmega8L+SHT75的溫濕度、露點(diǎn)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟凡智1，盧國(guó)朋2

(1.沈陽(yáng)華晨金杯汽車(chē)有限公司 海獅涂裝車(chē)間，遼寧 沈陽(yáng) 110044； 2.沈陽(yáng)北冰洋食品工程有限公司 技術(shù)部，遼寧 沈陽(yáng) 110164)

介紹了高性能傳感器芯片SHT75的應(yīng)用設(shè)計(jì)，并使用現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量遠(yuǎn)距離分散點(diǎn)溫度、濕度和露點(diǎn)的高精度采集與控制。該設(shè)計(jì)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。

溫濕度露點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；Modbus；ATmega8L；SHT75

工業(yè)中對(duì)溫度、濕度及露點(diǎn)精確監(jiān)控和控制的地方很多，但長(zhǎng)期以來(lái)一直使用熱電阻/電偶及4～20 mA等采集和變送方式，濕度和露點(diǎn)的實(shí)時(shí)精確數(shù)字化采集更是困難。對(duì)于實(shí)現(xiàn)大量遠(yuǎn)距離分散采集點(diǎn)的集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，存在技術(shù)實(shí)施繁瑣成本高布線(xiàn)不便等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)有效解決了上述問(wèn)題，在低成本的前提下完成了多點(diǎn)溫濕度和露點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精確采集和傳輸，并使用流行的Modbus總線(xiàn)與其他智能控制器及PLC、組態(tài)軟件等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)距離控制。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用以AVR單片機(jī)(ATmega8L)為核心的控制電路[1]，配以電源單元、485通信單元、傳感器單元、繼電器驅(qū)動(dòng)控制單元和一些功能跳線(xiàn)(波特率和站號(hào)撥碼開(kāi)關(guān))構(gòu)成完整的系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1電源單元設(shè)計(jì)

溫濕度露點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件電源模塊是由MC34063A為核心元件的低成本電路。MC34063A是一種單片DC-DC變換控制電路，片內(nèi)包含帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源、比較器、帶激勵(lì)電流限制的占空比可控振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)等，使用極少的外接元件就能夠構(gòu)成高效率開(kāi)關(guān)式降壓變換器[2]。

1.2傳感器選型

Sensirion公司的SHT75是一款高度集成的溫濕度復(fù)合傳感器芯片(如圖2)，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專(zhuān)利的工業(yè)COMS過(guò)程微加工技術(shù),確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件,這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。因此，該傳感器具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性?xún)r(jià)比。

每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)標(biāo)定得到的校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在芯片本身的OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。

通過(guò)兩線(xiàn)制的串行接口與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，使系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。微小體積，極低功耗等優(yōu)點(diǎn)，使其成為各類(lèi)應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

濕度：

量程范圍：0～100% RH；精度：±1.8% RH；分辯率：0.05% RH(12 Bit)；重復(fù)性：±0.1% RH；響應(yīng)時(shí)間：typ. 8 s；遲滯：±1%RH；長(zhǎng)期穩(wěn)定性：<0.5% RH/yr；

溫度：

量程范圍：-40 ℃～+123.8 ℃；精度：±0.3 ℃；分辯率：0.01 ℃(14Bit)；重復(fù)性：±0.1 ℃；響應(yīng)時(shí)間：5 s～30 s；

電源電壓2.4 V～5.5 V[3]；

1.3485通信單元

由AVR單片機(jī)內(nèi)集成的UART與外部RS485芯片來(lái)構(gòu)建總線(xiàn)進(jìn)行通信，選用差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)器SN75LBC184，該芯片帶有內(nèi)置高能量瞬變?cè)肼暠Ｗo(hù)裝置，能承受峰值400 W(典型值)的過(guò)壓瞬變。在電噪聲環(huán)境下傳輸速率可達(dá)250 kbps，允許總線(xiàn)上掛接最多128個(gè)類(lèi)似器件[4]。

輸出電路的設(shè)計(jì)要充分考慮到線(xiàn)路上的各種干擾及線(xiàn)路特性阻抗的匹配?？紤]到線(xiàn)路的特殊情況(如某一臺(tái)分機(jī)的485芯片被擊穿短路)，為防止總線(xiàn)中其它分機(jī)的通信受到影響，在SN75LBC184的485信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20 Ω的電阻。這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線(xiàn)的通信受到影響。由于選用通信載體是雙絞線(xiàn)，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)的始端和末端各應(yīng)接1只120 Ω的匹配電阻，以減少線(xiàn)路上傳輸信號(hào)的反射。

由于RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)，接收器的檢測(cè)靈敏度為±200 mV，即差分輸入端VA-VB≥+200 mV，輸出邏輯1，VA-VB≤-200 mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對(duì)值小于200 mV 時(shí)，輸出為不確定。如果在總線(xiàn)上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯0，這會(huì)誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是人為地使A端電位高于B端電位，這樣RXD的電平在485總線(xiàn)不發(fā)送期間(總線(xiàn)懸浮時(shí))呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符。通過(guò)在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻即可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

1.4驅(qū)動(dòng)控制單元

驅(qū)動(dòng)控制單元本設(shè)計(jì)采用繼電器的無(wú)源觸點(diǎn)輸出。單片機(jī)通過(guò)光電耦合器TP521控制三極管的基極，通過(guò)該三極管驅(qū)動(dòng)繼電器線(xiàn)圈，該線(xiàn)圈采用與控制系統(tǒng)隔離的24 V電源驅(qū)動(dòng)，并在線(xiàn)圈端并聯(lián)反向電流釋放二極管，通過(guò)該繼電器完成其他關(guān)聯(lián)設(shè)備的啟動(dòng)與停止控制，完成遠(yuǎn)程控制功能。

2 總線(xiàn)通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

控制器通過(guò)使用主-從技術(shù)，主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢(xún)的，則不作回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢(xún)的格式：設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)域[5]。

從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

Modbus協(xié)議規(guī)定了兩種通信方式ASCII碼或RTU(Remote Terminal Unit)模式。ASCII碼模式規(guī)定在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式為L(zhǎng)RC(Cyclical Redundancy Check)，這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。在同樣的波特率下，RTU模式可比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)，RTU模式在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含2個(gè)4 Bit的十六進(jìn)制字符，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC，這樣有效的提高了通信效率?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用RTU模式。

RTU消息幀的結(jié)構(gòu)如表1所示，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，地址域?yàn)? Bit，可能的從設(shè)備地址是0～247(十進(jìn)制)，單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1～247，地址0是用作廣播地址。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束，一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始[6]。

表1 RTU消息幀結(jié)構(gòu)

整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一個(gè)字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開(kāi)始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不能是正確的。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)作為Modbus協(xié)議的從站，其單片機(jī)程序設(shè)計(jì)模塊主要包括 UART中斷服務(wù)程序、Modbus接收消息幀處理程序、Modbus回送消息幀程序，并且應(yīng)將Modbus協(xié)議定義的功能代碼表[7]預(yù)先存儲(chǔ)于ROM中，具體軟件執(zhí)行流程圖[8]如圖3所示。

單片機(jī)初始化后，UART處于接收狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到RS-485總線(xiàn)上有數(shù)據(jù)傳送，則立即相應(yīng)中斷程序接收該數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)總線(xiàn)及接收或發(fā)送數(shù)據(jù)期間啟動(dòng)定時(shí)器，用來(lái)監(jiān)控間隔時(shí)間是否符合Modbus協(xié)議要求。

Modbus接收消息幀處理程序主要完成Modbus協(xié)議解析與處理功能，具體負(fù)責(zé)將接收緩沖區(qū)內(nèi)的Modbus消息幀進(jìn)行地址比較、CRC校驗(yàn)、功能代碼解析，該解析完成接收與單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)功能代碼的功能代碼比對(duì)，并根據(jù)功能代碼調(diào)用相應(yīng)功能碼處理子程序，完成讀溫濕度、露點(diǎn)，設(shè)置繼電器線(xiàn)圈等功能操作。

Modbus回送消息幀處理程序完成單片機(jī)通過(guò)UART向總線(xiàn)回送消息幀的功能，該響應(yīng)幀對(duì)于接收到的無(wú)效功能代碼啟動(dòng)回送例外響應(yīng)幀程序向Modbus主設(shè)備報(bào)告異常，對(duì)于依據(jù)代碼功能完成相應(yīng)操作的啟動(dòng)回送響應(yīng)幀程序向Modbus主設(shè)備回復(fù)處理結(jié)果或數(shù)據(jù)。至此完成了Modbus主-從設(shè)備通信和相應(yīng)的功能調(diào)用。

4 結(jié)語(yǔ)

該Modbus從設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用到汽車(chē)涂裝車(chē)間的空調(diào)系統(tǒng)中，通過(guò)Modbus總線(xiàn)與遠(yuǎn)程PLC連接，PLC作為Modbus主設(shè)備，該Modbus從設(shè)備接收PLC發(fā)送的功能指令，并依據(jù)指令要求回送溫濕度和露點(diǎn)數(shù)值及設(shè)置繼電器線(xiàn)圈，完成現(xiàn)場(chǎng)溫濕度和露點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳及現(xiàn)場(chǎng)加濕器和加熱器的開(kāi)關(guān)控制，并通過(guò)與PLC連接的觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控各現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、露點(diǎn)及設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)。達(dá)到了預(yù)期效果，完成了分散采集點(diǎn)溫度、濕度及露點(diǎn)的集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制。

本次設(shè)計(jì)僅依托繼電器完成了驅(qū)動(dòng)控制單元，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要增加按鈕和液晶屏，完成本地溫度和濕度上下限設(shè)定值的輸入和監(jiān)視功能。另外由于該Modbus從設(shè)備中包含單片機(jī)控制器，也可通過(guò)進(jìn)一步擴(kuò)展單片機(jī)控制程序，增加在Modbus總線(xiàn)失效或未連接狀態(tài)下獨(dú)立工作的功能，完成本地現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、露點(diǎn)采集并通過(guò)繼電器輸出控制相關(guān)加濕器及加熱器等執(zhí)行器件的獨(dú)立閉環(huán)溫濕度、露點(diǎn)監(jiān)控及調(diào)節(jié)控制功能。

[1] Atmel. ATmega8(L) Datasheet[EB/OL].(2013-02)[2017-01-05] .http://www.atmel.com/Images/doc2486.pdf.

[2] ON Semiconductor.MC34063A Datasheet[EB/OL]. (2016-12)[2017-01-05].http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF.

[3] Sensirion.Humidity Sensor SHT75 Datasheet[EB/OL]. (2011-12)[2017-01-05]. https://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/Dokumente/2_Humidity_Sensors/Sensirion_Humidity_Sensors_SHT7x_Datasheet_V5.pdf.

[4] Texas Instruments.SN75LBC184 Datasheet[EB/OL]. (2015-06)[2017-01-05].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn75lbc184.pdf.

[5] Modbus.org. MODBUS over Serial Line Specification and Implementation Guide V1.02 [EB/OL]. (2006-12-20)[2017-01-05].http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf.

[6] MODICON.Modicon Modbus Protocol Reference Guide [EB/OL]. (1996-06)[2017-01-05]. http://www.modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf.

[7] Modbus-IDA. MODBUS APPLICATION PROTOCOL SPECIFICATION V1.1b[EB/OL]. (2006-12-28)[2017-01-05]. http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf.

[8] 孟凡智. 一種基于Modbus協(xié)議的從設(shè)備：中國(guó)，201410638452.2[P].2015-04-01.

DesignofTemperature，Humidity&DewPointAcquisitionBasedonATmega8L+SHT75

MENG Fan-zhi1, LU Guo-peng2

(1.Paint Shop, Shenyang Brilliance Jinbei Automobile Co., Ltd, Shenyang 110044, Liaoning, China;2.Technology Department, Shenyang Beibingyang Food Engineering Co., Ltd,Shenyang 110164, Liaoning, China)

The application design of high-powered sensor SHT75 is introduced. For numbers of disperse point, high accurate data acquisition of its temperature, humidity &dew point can be achieved. This design has many advantages, such as simple realization, high-powered ness, and low price.

temperature, humidity &dew data acquisition; Modbus; ATmega8L; SHT75

TN87

A

1008-9446(2017)05-0051-05

2017-01-11

孟凡智(1981-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事汽車(chē)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造與維護(hù)，E-mail:fanzhi.meng@brilliance-auto.com。