基于AT89C2051和智能传感器的温湿度采集系统硬件设计

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 在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多,温度可独立测量,而湿度却受其他因素(大气压、温度)的影响。

利用AT89C2051单片机强大的功能,同时结合智能传感器SHT75测量温湿度有快速和使用简便等特点,设计了一个温湿度采集系统来对温湿度进行实时监控。通过对实际环境的温湿度测量,证明了该系统硬件电路布局设计简单合理,体积小,功能齐全,精度高,成本低,性价比相当高,是一款可以普及化的高精度温湿度参数检测仪。

1 温湿度采集系统的硬件设计

1.1 系统总体设计方案

为了实现课题对监控机构的稳定性好、精度高、实用性强的要求,比较众多温湿度测量方案,系统采用智能传感器SHT75和AT89C2051单片机构成。通过SHT75对各环境内的温度、湿度参数实时检测,经传感器芯片内A/D转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中,单片机通过发送读取温湿度传感器温湿度命令码,温湿度传感器就返回对应的参数值,本系统带RS485通讯接口可连接监控主机或PC,通过监控主机或PC来实时查看当前温度和湿度值,并可在监控主机或PC上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。系统功能模块框图如图1所示。


1.2 芯片选择

1.2.1 温湿度传感器

鉴于测量环境特殊要求,温湿度检测模块不可能做得很大,而且系统要求响应灵敏,测量精度要高,温度小于等于±0.3℃,湿度小于等于±1.8%,稳定性能良好,因此采用了瑞士生产的SHT75温湿度传感器。

1.2.2 微处理器

该芯片主要是控制温湿度采集,数据处理,实时温湿度显示及通信,那么对微控制器的端口需求较少,而且从测量系统对本模块体积限定等诸多因数来考虑,系统选用ATMEL公司推出的AT89C2051,它是目前比较主流的单片机芯片,20个引脚,其中包括15个I/O口,复位和外部时钟驱动端,一个全双工串行通信端口,5个中断源等,128 B的内部RAM,2 kB的内部ROM空间。

1.2.3 隔离芯片

鉴于长距离驱动数码管显示实时采集的温湿度数值,为了使显示的稳定性和可靠度增强,采用了两片6N137光电隔离芯片来驱动串行输入并行输出7片74LS164芯片,其中6片控制6个数码管显示温湿度,1片用于控制4个LED灯显示系统状态。

1.2.4 看门狗芯片

为了监控检测模块工作正常,看门狗电路和芯片是单片机开发系统必不可少的部分,采用的X25054看门狗芯片主要功能有监控电源,防止运行程序跑飞,扩充控制芯片存储空间等。

1.2.5 通信接口

数据采集包括单片机对温湿度传感器数据采集,还包括PC对单片机数据采集和处理。系统采用的是RS485接口,它是一种半双工串行通信接口,采用平衡差分的传输模式,比RS232接口提高了传输的速率和增加了传输距离,目前广泛运用于数据采集通信系统。

1.3 系统原理图的绘制

本系统采用AT89C2051单片机作为控制核心,系统主要包括温湿度传感器、CPU、通讯接口等部件。电路图的绘制采用Protel DXP 2004开发工具,在设计PCB板的时候,应特别注意电磁兼容性设计、地线设计、去耦电容配置等几个方面。

电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。在双面PCB板中,上下两层信号线的走线方向要尽量相互垂直或斜交叉,避免平行走线,以减少寄生耦合的产生。

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。地线设计中应根据电路特性,正确选择单点接地与多点接地,对高频电路要采用多点接地,并尽量加粗接地线,接地线的宽度一般为普通走线的2倍,而且要将接地线构成闭合环路。

在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。因为在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。合理配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,提高PCB板的可靠性。

温湿度采集模块PCB板制作包括主控系统板制作和实时数据显示板制作,最终设计的PCB图如图2和图3所示。


1.4 系统实物图

最终参数采集及实时显示模块实物图如图4所示。


2 实验测试结果与分析


2.1 第一组实验数据

该系统调试后在室内进行了模拟测试,检验了系统的测试效果以及测试精度。在数据处理时,采用大量的测量数据统计分析来减少误差,并对运行结果进行了记录分析。实验第一组数据如表1所示。

在温湿度传感器未经修正时,温湿度传感器采集到的数据与标准计数相比较,其数据偏差即将接近本系统所要达到的期望值,但还有待改进。

2.2 传感器的补偿和修正

为了补偿温湿度传感器的非线性以获取准确数据,使用如下公式(1)修正输出数值:

RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH (1)

对高于99%RH的那些测量值则表示空气已经完全饱和,必须被处理成显示值均为100%2RH。湿度传感器对电压基本上没有依赖性。

当实际测量温度与25℃相差较大时,应考虑湿度传感器的温度修正系数,使用如下公式(2)。

RHtrue=(T-25)·(t1+t2·SO)+Rhliner (2)

2.3 第二组实验数据

根据公式(1)、(2)对传感器进行修正补偿后得到实验第二组数据如表2所示。

从以上结果可以看出:经过补偿和修正以后,使温度传感器测量数据的温度精度小于等于0.2℃,湿度精度小于1.0%RH,达到了系统的设计要求,满足了温度精度为±0.3℃和湿度精度±2.0%RH的课题测量要求。

3 结论

本文介绍的温湿度采集系统硬件的设计,创新点在于针对温度和湿度的测量特点,采用SHT75系列数字温湿度传感器,可与单片机直接相连,并且由于它温湿一体的高度集成化,改变传统温湿度变送器硬件包含温度传感器、湿度传感器、信号处理器、A/D转换等部分,从而简化外围电路并降低成本,提高了电路工作的可靠性和稳定性,达到了较高的性价比。通过对实际环境的温湿度测量,证明了该系统硬件电路布局设计简单合理,体积小,功能齐全,精度高,成本低,性价比相当高,是一款可以普及化的高精度温湿度参数检测仪。

 

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