CDIO溫濕度及大氣壓數(shù)字傳感器及線(xiàn)性穩(wěn)壓電源

1、 成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院工程實(shí)踐總結(jié)報(bào)告題 目： 溫濕度及大氣壓數(shù)字傳感器 線(xiàn)性穩(wěn)壓電源 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 大氣探測(cè)132班 姓 名： 楊皓誠(chéng) 周俊儒 劉程 王錢(qián)雨晨 錢(qián)立 指導(dǎo)教師： 姚振東 評(píng) 分： 2015年07月4日目錄一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介- 2 -二、線(xiàn)性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理- 2 -三、溫度濕度及大氣壓數(shù)字傳感器硬件設(shè)計(jì)原理- 3 -1.主控模塊- 3 -2.溫濕度感應(yīng)器模塊- 4 -3. 氣壓感應(yīng)器模塊- 4 -四、溫度濕度及大氣壓數(shù)字傳感器軟件設(shè)計(jì)原理- 5 -1.系統(tǒng)運(yùn)行總框圖- 5 -2.溫濕度感應(yīng)器模塊- 5 -3. 氣壓感應(yīng)器模塊- 7 -五、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果-

2、10 -1. 線(xiàn)性穩(wěn)壓電源- 10 -正電壓部分電壓輸出表- 10 -負(fù)電壓部分電壓輸出表- 10 -2.溫濕度感應(yīng)器及氣壓感應(yīng)器- 10 -溫濕度及氣壓實(shí)際數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果對(duì)比表- 10 -六、系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改進(jìn)思路- 11 -1. 線(xiàn)性穩(wěn)壓電源- 11 -2.溫度濕度及大氣壓數(shù)字傳感器- 11 -七、部分程序源代碼- 11 -一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介有了上學(xué)期電子制作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在本學(xué)期的CDIO課程中，我們組在老師的輔導(dǎo)下，通過(guò)相關(guān)資料的收集整理，方案論證，最終確定使用STC 12C5A60S2芯片作為整個(gè)數(shù)字氣象傳感器的主控芯片，使用DHT11數(shù)字溫濕度感應(yīng)芯片及MS5611氣壓傳感芯片作為系統(tǒng)溫

3、濕度及氣壓數(shù)值的采樣芯片，并最終通過(guò)NOKIA 5110液晶對(duì)所采集的三項(xiàng)氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示。線(xiàn)性穩(wěn)壓電源部分，我們組最終使用LM7815/LM7915,LM7812/LM7912,LM7805/LM7905及AMS1117芯片實(shí)現(xiàn)了輸入直流電壓15V到35V時(shí)在不同端口分別輸出±15V, ±12V, ±5V及3.3V電壓。在本次的制作中，由于數(shù)字感應(yīng)器使用了51單片機(jī)作為主控，結(jié)合本學(xué)期剛剛結(jié)課的單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)及大一上期所學(xué)的C語(yǔ)言，并參考網(wǎng)上的各類(lèi)例程，我們小組的成員對(duì)單片機(jī)的編程有了更加深刻的理解，不再拘泥于課本上的匯編語(yǔ)言編程，為今后CDI

4、O及其他項(xiàng)目的完成打下了良好的軟件編寫(xiě)能力基礎(chǔ)。同時(shí)，在電源制作的過(guò)程中，我們小組的成員也查找了各種電源芯片的資料，對(duì)LM78xx及LM79xx系列芯片都有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也進(jìn)一步提高了我組成員的動(dòng)手能力，達(dá)到了CDIO卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃實(shí)行的目的。二、線(xiàn)性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理本線(xiàn)性穩(wěn)壓電源采用LM7815/LM7915,LM7812/LM7912,LM7805/LM7905及AMS1117七塊三端穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件進(jìn)行電壓升降，正電壓處理與負(fù)電壓處理分為兩條支路，各條支路串聯(lián)設(shè)計(jì)，前級(jí)芯片的輸出電壓作為后級(jí)芯片的輸入電壓。同時(shí)每塊芯片前后兩級(jí)各用一個(gè)1000uf大電容濾除低頻紋波，

5、前級(jí)使用一個(gè)0.1uf小電容濾出高頻紋波，并為每塊芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)電源指示燈以監(jiān)視該部分是否正常工作。線(xiàn)性穩(wěn)壓電源原理圖三、溫度濕度及大氣壓數(shù)字傳感器硬件設(shè)計(jì)原理1.主控模塊本系統(tǒng)中的主控模塊為由STC 12C5A60S2超級(jí)51芯片作為主控板核心，輔以復(fù)位電路，晶振電路，5110液晶驅(qū)動(dòng)電路及其他電路組成的51系統(tǒng)板，系統(tǒng)采用USB轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)接器直接從電腦進(jìn)行供電。60S2芯片為1T的51單片機(jī)，所以比普通的89C52單片機(jī)速度更快，同時(shí)該芯片與標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的I/0管腳接口基本一致，故網(wǎng)絡(luò)上相關(guān)資料較多，相關(guān)例程也較為豐富，有助于程序的編寫(xiě)與調(diào)試。主控模塊原理圖2.溫濕度感應(yīng)器模塊本系統(tǒng)中的

6、溫濕度感應(yīng)器模塊為由DHT11數(shù)字溫濕度感應(yīng)芯片及一個(gè)4.7K上拉電阻、一個(gè)1K限流電阻及一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，4.7K電阻接VCC連在DHT11芯片的DATA輸出口，DATA口連接單片機(jī)的P1.0口，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)回送時(shí)，使該信號(hào)線(xiàn)被拉成高電平。1K電阻與發(fā)光二極管組成該模塊的電源指示燈，當(dāng)模塊的VCC管腳及GND管腳與主控板正確連接時(shí)該燈亮起，表明模塊已準(zhǔn)備就緒。溫濕度感應(yīng)器模塊原理圖3. 氣壓感應(yīng)器模塊本系統(tǒng)中的溫濕度感應(yīng)器模塊為由MS5611數(shù)字氣壓感應(yīng)芯片及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成，由于MS5611芯片尺寸過(guò)小，考慮到自身技術(shù)條件，故直接使用了商家所提供的基于MS5611芯片的氣象感應(yīng)器模塊，MS

7、5611芯片中內(nèi)含24位AD轉(zhuǎn)換器，同時(shí)模塊中含有一塊低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，模塊的VCC及GND與主控板上對(duì)應(yīng)管腳連接，通過(guò)I2C協(xié)議將氣壓數(shù)據(jù)返回至單片機(jī)，其中時(shí)鐘管腳SCL連接到P1.1口，數(shù)據(jù)管腳SDA連接到P1.2口。氣壓感應(yīng)器模塊原理圖四、溫度濕度及大氣壓數(shù)字傳感器軟件設(shè)計(jì)原理1.系統(tǒng)運(yùn)行總框圖2.溫濕度感應(yīng)器模塊溫濕度感應(yīng)器DHT11部分的程序設(shè)計(jì)主要通過(guò)I/O端口模擬總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其溫度測(cè)量范圍0-50，精度為±2，濕度測(cè)量范圍20%-90%，精度為±5%。其軟件工作流程如下。單片機(jī)發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，

8、DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶(hù)可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。從模式下，DHT11接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。通信總流程圖總線(xiàn)空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線(xiàn)拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)

9、把總線(xiàn)拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào)。主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線(xiàn)由上拉電阻拉高。DHT工作初始化時(shí)序圖總線(xiàn)為低電平，說(shuō)明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線(xiàn)拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開(kāi)始，高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則DHT11沒(méi)有響應(yīng)。檢查線(xiàn)路是否連接正常。當(dāng)最后1bit數(shù)據(jù)傳送完

10、畢后，DHT11拉低總線(xiàn)50us，隨后總線(xiàn)由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。數(shù)字0信號(hào)總線(xiàn)表示時(shí)序圖 數(shù)字1信號(hào)總線(xiàn)表示時(shí)序圖3. 氣壓感應(yīng)器模塊氣壓感應(yīng)器MS5611部分的程序設(shè)計(jì)主要通過(guò)I/O端口模擬I2C協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作溫度范圍-40-85，氣壓測(cè)量范圍101200mbar，精度為25，750mbar時(shí)，-1.5+1.5mbar。其軟件工作流程如下。外部微控制器通過(guò)輸入SCLK（串行時(shí)鐘）和SDA（串行數(shù)據(jù)）來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。傳感器的響應(yīng)在一根雙向的I2C總線(xiàn)接口SDA線(xiàn)上。所以這個(gè)接口類(lèi)型只使用2信號(hào)線(xiàn)路而不需要片選信號(hào)，這可以減少板空間。在I2C模式下補(bǔ)充引腳CSB（芯片選擇）代表了LSB的

11、I2C地址。在I2C總線(xiàn)上可以使用兩個(gè)傳感器和兩個(gè)不同的地址。CSB引腳應(yīng)當(dāng)連接到VDD或GND（不能懸空）。MS5611-01BA03只有5個(gè)基本命令：復(fù)位（Reset）、讀取存儲(chǔ)器（128-bit PROM）、數(shù)字溫度值轉(zhuǎn)換、數(shù)字壓力值轉(zhuǎn)換、讀取ADC結(jié)果（24-bit氣壓/溫度值）。I2C復(fù)位時(shí)序復(fù)位指令可以在任何時(shí)間發(fā)送。如果沒(méi)有成功的上電復(fù)位，這可能是被屏蔽的SDA模塊在應(yīng)答狀態(tài)。MS5611-01BA唯一的復(fù)位方式是發(fā)送幾個(gè)SCLKs后跟一個(gè)復(fù)位指令或上電復(fù)位。來(lái)自主機(jī) S = 開(kāi)始命令 W = 寫(xiě)命令 A =應(yīng)答來(lái)自從機(jī) P = 停止命令 R =讀命令 N = 無(wú)應(yīng)答I2C復(fù)位指

12、令存儲(chǔ)器讀取時(shí)序PROM讀指令由兩部分構(gòu)成，第一部分使系統(tǒng)處于PROM讀模式，第二部分從系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。來(lái)自主機(jī) S = 開(kāi)始命令 W = 寫(xiě)命令 A =應(yīng)答來(lái)自從機(jī) P = 停止命令 R =讀命令 N = 無(wú)應(yīng)答I2C讀存儲(chǔ)器指令，地址=011（系數(shù)：3）來(lái)自主機(jī) S = 開(kāi)始命令 W = 寫(xiě)命令 A =應(yīng)答來(lái)自從機(jī) P = 停止命令 R =讀命令 N = 無(wú)應(yīng)答I2C從芯片中應(yīng)答轉(zhuǎn)換時(shí)序通過(guò)向MS5611-01BA發(fā)送指令可以進(jìn)入轉(zhuǎn)換模式。當(dāng)命令寫(xiě)入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)處于忙碌狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)換完成。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后可以發(fā)送一個(gè)讀指令，此時(shí)MS5611-01BA發(fā)回一個(gè)應(yīng)答，24個(gè)SCLK時(shí)鐘將所有bi

13、t位傳送出來(lái)。每隔8bit就會(huì)等待一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。來(lái)自主機(jī) S = 開(kāi)始命令 W = 寫(xiě)命令 A =應(yīng)答來(lái)自從機(jī) P = 停止命令 R =讀命令 N = 無(wú)應(yīng)答I2C啟動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換指令(OSR=4096, typ=D1)來(lái)自主機(jī) S = 開(kāi)始命令 W = 寫(xiě)命令 A =應(yīng)答來(lái)自從機(jī) P = 停止命令 R =讀命令 N = 無(wú)應(yīng)答ADC讀時(shí)序來(lái)自主機(jī) S = 開(kāi)始命令 W = 寫(xiě)命令 A =應(yīng)答來(lái)自從機(jī) P = 停止命令 R =讀命令 N = 無(wú)應(yīng)答I2C從MS5611-01BA讀取數(shù)據(jù)循環(huán)冗余檢查（CRC）MS5611-01BA包含128-Bit的PROM存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器中有一個(gè)4bit的CRC數(shù)據(jù)

14、檢測(cè)位。下面詳細(xì)描述了CRC-4代碼的使用。氣壓與溫度的計(jì)算流程：1. 開(kāi)始計(jì)算結(jié)果最大值 ，2.從PROM讀取出廠(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)變量描述|方程推薦變量類(lèi)型Size 值例子/典型bitminMaxC1壓力靈敏度|SENST1uint 161606553540127C2壓力抵消| OFFT1uint 161606553536924C3溫度壓力靈敏度系數(shù)| TCSuint 161606553523317C4溫度系數(shù)的壓力抵消| TCOuint 161606553523282C5參考溫度|TREFuint 161606553533464C6溫度系數(shù)的溫度|TEMPSENSuint 161606553528

15、3123.讀取數(shù)字氣壓和溫度值D1數(shù)字壓力值uint 32240167772169085466D2數(shù)字溫度值uint 322401677721685691504.計(jì)算溫度dT實(shí)際和參考溫度之間的差異int 3225-16776960167772162366TEMP實(shí)際溫度(-4085°C 0.01°C的分辨率)int 3241-400085002007=20.07°C5.計(jì)算溫度補(bǔ)償下的氣壓值OFF實(shí)際溫度抵消uint 6441-8589672450128847052802420281617SENS實(shí)際溫度靈敏度uint 6441-4294836225644235

16、26401315097036P溫度補(bǔ)償壓力(101200mbar與0.01mbar分辨率)uint 64581000100009=1000.09 mbar6.得到氣壓和溫度值五、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果1. 線(xiàn)性穩(wěn)壓電源正電壓部分電壓輸出表輸入電壓LM7815LM7812LM7805AMS111717.8V15.04V11.89V5.08V3.31V22.2V15.05V11.89V5.08V3.31V23.9V15.05V11.89V5.08V3.31V26.1V15.06V11.89V5.08V3.31V30V15.06V11.89V5.08V3.31V負(fù)電壓部分電壓輸出表輸入電壓LM7915LM79

17、12LM7905-18.3V-15.25V-12.01V-5.03V-22V-15.25V-12.01V-5.03V-24.1V-15.25V-12.01V-5.03V-26.1V-15.25V-12V-5.03V-30V-15.25V-12.01V-5.03V2.溫濕度感應(yīng)器及氣壓感應(yīng)器溫濕度及氣壓實(shí)際數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果對(duì)比表氣溫A氣溫B誤差濕度A濕度B誤差氣壓A氣壓B誤差2525065683950.1953.32.2252617270-2952.2955.23.0282806765-2952.8954.31.53130-174806950.8954.73.9303007369-4953.595

18、6.12.6注：上表中XXA為大氣觀(guān)測(cè)場(chǎng)屏幕所顯示的臺(tái)站一數(shù)據(jù)，溫度與濕度值只取整數(shù)部分，大氣壓保留一位小數(shù)，XXB為傳感器顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式與A組數(shù)據(jù)格式相同，誤差為XXB-XXA的值注：上表中氣溫的單位為，濕度的單位為%，氣壓的溫度為hPa六、系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改進(jìn)思路1. 線(xiàn)性穩(wěn)壓電源(1)無(wú)意義的大電容使用過(guò)多改進(jìn)思路：只需要在第一個(gè)電壓輸入端連接一個(gè)大電容用于低頻紋波濾波即可。(2)負(fù)電壓芯片管腳在PCB圖及電路板上順序錯(cuò)誤改進(jìn)思路：畫(huà)封裝時(shí)提前看好芯片PDF里的封裝圖，不急于畫(huà)圖。2.溫度濕度及大氣壓數(shù)字傳感器(1)傳感器芯片與單片機(jī)之間均用杜邦線(xiàn)連接改進(jìn)思路：畫(huà)雙層PCB板，將兩個(gè)傳感器芯片集成到主控板上。(2)溫濕度傳感器只返回整數(shù)位的數(shù)值改進(jìn)思路：將DHT11溫濕度的8bit小數(shù)位的數(shù)據(jù)也采集回來(lái)，同時(shí)顯示在液晶上。七、部分程序源代碼void main(void) unsigned char i, k; unsigned char LCD_contra