溫濕度檢測方案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上“空氣溫度濕度檢測”方案可行性分析報(bào)告學(xué)校：xxx大學(xué)學(xué)院：xxx學(xué)院 專業(yè)：xxx撰寫人：摘 要：介紹了一種基于濕敏電容HS1101、 溫度傳感器DS18B20的空氣溫度濕度檢測系統(tǒng)，對方案設(shè)計(jì)、元器件選型、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)等幾部分內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)說明。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫度采集、顯示、報(bào)警和報(bào)警限設(shè)置功能，可廣泛應(yīng)用于倉儲、農(nóng)業(yè)和運(yùn)輸?shù)?。該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和精度，抗干擾能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展且實(shí)用。關(guān)鍵詞：HS1101；DS18B20；溫度濕度檢測；傳感器；1.總述隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，溫度濕度測控在生產(chǎn)生活中起著舉足輕重的作用。溫度濕度檢測裝置應(yīng)用范圍廣，其廣泛應(yīng)用于

2、工廠車間、實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖以及人居環(huán)境的改善。以蔬菜大棚為例，以蔬菜大棚代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚的溫度和濕度參數(shù)直接關(guān)系到蔬菜和水果生長。國外的溫室設(shè)施已經(jīng)發(fā)展到了比較完備的程度，并且形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)今大多數(shù)對大棚的溫度、濕度的檢測和控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強(qiáng)度大以及由于測控不及時(shí)的弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失。結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。快捷高效的對溫度濕度進(jìn)行測控，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)。2.方案設(shè)計(jì)與選擇在選擇元器件方面

3、，溫度傳感器選取DS18B20數(shù)字溫度傳感器，濕度傳感器選取HS1101濕敏電容。使用1602液晶顯示屏分別顯示溫度值、濕度值。附加鍵盤輸入及報(bào)警裝置。DS18B20是美國Dallas公司推出的數(shù)字式溫度傳感器，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)簡單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)值讀數(shù)方式。HS1101濕敏電容可以將空氣中的濕度值轉(zhuǎn)化為濕敏電容的電容值，電容隨濕度的增大而增大，將該濕敏電容置于555振蕩電路種，電容值的變化可以轉(zhuǎn)化為與之成反比的電壓頻率信號的變化，這時(shí)就可以送入單片機(jī)。方案結(jié)構(gòu)框圖如下：2.1溫度傳感器的選擇方案1：使用傳統(tǒng)的熱敏電阻作為溫度敏感元件，熱敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，但需要

4、后續(xù)的信號處理電路，而且可靠性相對較差，準(zhǔn)確度和精度都較低。方案2：采用AD590電流輸出型溫度傳感器，它的測溫范圍在-55+150之間，而且精度高?？沙惺苷?4V或反向20V電壓，因而期間不會損壞，使用可靠。同時(shí)，和電壓輸出型相比，其采用電流輸出型，有較強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸距離也較遠(yuǎn)。但在連接單片機(jī)之前需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。方案3：使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，無需外部器件。芯片耗電量很小，可以簡單的通過數(shù)據(jù)線為傳感器供電，待機(jī)功耗基本為零。優(yōu)點(diǎn)是該傳感器在檢測點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化，在單總線上傳送的是數(shù)字信號。這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。綜合比較以上三個(gè)方案，方案3使

5、用更加方便，信號更加準(zhǔn)確。故在本設(shè)計(jì)中選擇方案3。2.2濕度傳感器的選擇方案1:使用H204C濕敏電阻，H204C濕度傳感器是高溫?zé)Y(jié)型金屬氧化物多孔質(zhì)陶瓷，器件的電阻與吸附在該陶瓷微細(xì)結(jié)晶表面上的水分子的量有關(guān)，并與相對濕度（%RH）呈半對數(shù)關(guān)系。使用溫度范圍為060；使用濕度范圍為10%90%RH。不過，濕敏電阻需要設(shè)置溫度補(bǔ)償電路、線性化電路等外圍電路。方案2：采用HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101為濕敏電容傳感器，在電路中等效于一個(gè)電容。濕度測量范圍為0%100%RH；工作溫度為-40100其電容量隨著空氣濕度的增大而增大。具有較高精度、高可靠性和長期穩(wěn)定

6、性。不需要溫度補(bǔ)償。對比方案1和方案2，了解到濕敏電容的穩(wěn)定性更好，測量范圍更加廣泛。故在本設(shè)計(jì)中，選擇方案2。3.測量電路的設(shè)計(jì)3.1溫度測量電路設(shè)計(jì)3.1.1溫度傳感器的主要特性DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的外部形狀如圖所示。DS18B20的電路很簡單， 由一片DS18B20和一只4.7k的上拉電阻構(gòu)成。DS18B20內(nèi)集成了一個(gè)溫度傳感器、64位ROM、9字節(jié)RAM、3字節(jié)EERAM(掉電可保存)， 可將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號直接輸出。DS18B20與外部的接口為單總線方式， 即數(shù)據(jù)的輸入、輸出及同步均由同一根線完成。其溫度測量范圍為-55125， 在-10 80范圍內(nèi)精度為±

7、;0.5，輸出的溫度值可編程為9 12位。VD接電源，3V5V；GND為地；DQ為數(shù)據(jù)的輸入輸出。DQ作為輸出時(shí)為漏極開路，必須加4.7k的上拉電阻。3.1.2溫度測量電路3.1.3 溫度傳感器的測溫原理DS18B20測溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重 新

8、開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。3.1.4溫度傳感器注意事項(xiàng)DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題。（1）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。（2）在DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及

9、單總線上所掛DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)。在實(shí)際應(yīng)用中并非如此，當(dāng)單總線上所掛DS18B20 超過8 個(gè)時(shí)，就需解決微處理器的總線驅(qū)動問題，所以在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。（3）連接DS18B20 的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通信距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通信距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS18B20 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問

10、題。（4）在DS18B20 測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20 的返回信號，一旦某個(gè)DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20 時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)行入循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。3.1.5 DS18B20溫度傳感器的典型應(yīng)用冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測溫和控制領(lǐng)域；軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制；汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等；供熱/制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制；3.2濕度測量電路設(shè)計(jì)3.2.1濕度

11、傳感器的主要特性目前， 生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家是法國Humirel公司。它生產(chǎn)的HS1101 測量范圍是0%100%RH，電容量由162PF 變到200PF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；濕度系數(shù)為0.34PF/；年漂移量0.5%RH/年，長期穩(wěn)定。下圖為HS1101 濕敏電容的濕度-電容響應(yīng)曲線。濕度變送器采用了美國 BB 公司生產(chǎn)的XTR105芯片，該變送器具有以下特點(diǎn)： 1 工作范圍寬； 2測量精度高； 3 電路簡單； 4 可靠性好，使用壽命長； 5 抗干擾能力強(qiáng)； 6 工作溫度范圍寬（-40+85）。3.2.2濕敏電容的工作原理（HS1101）濕敏電容一般是用高分

12、子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。高分子電容型濕敏元件是利用濕敏元件的 電容值隨濕度變化的原理制成的。實(shí)驗(yàn)證明，它們具有迅速吸濕和脫濕的能力。濕敏元件是電容型濕敏元件，它可把大氣相對濕度的變化轉(zhuǎn)變成電容量的變化，通過電容一電壓轉(zhuǎn)換電路將

13、濕度轉(zhuǎn)換成電壓的變化。具有感濕的高分子聚合物，例如乙酸-丁酸纖維素和乙酸-丙酸纖維素等，做成薄膜膜覆蓋在下電極上，然后在感濕薄膜表面上再蒸鍍一層多孔金屬膜（上電極）， 這樣就構(gòu)成 了一個(gè)平行板電容器，如圖6-7a所示。當(dāng)環(huán)境中的水分子沿著上電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕 膜而被吸附時(shí)，濕敏元件的電容值與相對濕度之間成近似成正比關(guān)系，線性度約為±1%, 如圖6-7b所示。高分子濕敏元件質(zhì)地柔軟、不耐高溫，在某些溶劑里容易溶解，其響應(yīng)速度和測量精度一般較陶瓷濕敏元件高，而耐老化和抗污染能力不如后者。濕敏電容可在-20%55%RH 的濕度范圍內(nèi)工作，測量環(huán)境相對濕度范圍為0 99 % RH, RS

14、M -1型濕敏元件的電容值為 (43±3)pF (20, 10%RH),其變化范圍為 1015pF (從 10% 99%RH)，電容量隨相對 濕度的改變呈線性變化，在量程的80%范圍內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間小于10s。3.2.3濕度測量電路此電路為典型的555 非穩(wěn)態(tài)電路，HS1101/HS1100 作為電容變量接在555 的TRIG 與THRES 兩引腳上。引腳7 用作電阻R4 的短路。等量電容HS1101/HS1100 通過R2 與R4 充電到門限電壓（約0.67Vcc），通過R2 放電到觸發(fā)電平（約0.33Vcc）， 然后R4通過引腳7短路到地。傳感器由不同的電阻R4與R2充放電。其工作循

15、環(huán)可以描述如下Thigh=C*(R2+R4)*ln2Tlow=C*R2*ln2F=1/(Thigh+Tlow)=1/(C *(R4+2*R2)*ln2)輸出循環(huán)周期=Thigh*F=R2/(R4+2*R2)為了使循環(huán)時(shí)間降低50% ，則與R2相比，R4 應(yīng)該非常小，但是不要低于最小值。電阻R3是為了短路保護(hù)，555 必須為CMOS。555 電路的非平衡電阻R1是做內(nèi)部溫度補(bǔ)償，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使它與HS1101的溫度效應(yīng)相匹配。R1必須象所有的R-C時(shí)鐘電阻的要求一樣，1%的精度最大的溫度效應(yīng)應(yīng)該小于100ppm。由于不同型號的555的內(nèi)部溫度補(bǔ)償有所不同，R1 的值必須與特定的芯片相

16、匹配。為了保證在55%RH 的典型濕度值為6660Hz，R2也需要做稍許修正。如下表3.2.4濕敏電容HS1101傳感器典型應(yīng)用溫濕度儀表、孵化機(jī)、空調(diào)、除濕機(jī)、加濕機(jī)等產(chǎn)品； 電子、制藥、糧食、倉儲、煙草、紡織、氣象等行業(yè)；OA設(shè)備、冰箱、冰柜、酒柜、溫濕度控制器/變送器；3.3 CPU單元的設(shè)計(jì) 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在此裝置中選擇8位微處理器AT89C52，該微處理器是一種CMOS工藝的低功耗、高性能8位嵌入式微控制器。該器件與MCS-51系列的同類產(chǎn)品（如80C52等）在指令系統(tǒng)及引腳上完全兼容。微處理器具有8K可寫/擦1000次的Flash內(nèi)部程序存儲器，對系統(tǒng)開發(fā)過程中的程序編寫

17、和調(diào)試可以提供極大的方便。另外，微處理器內(nèi)部還有256字節(jié)的RAM、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源和可編程串行口。在該系統(tǒng)的單片機(jī)模塊中，還有一路由11.0592MHz晶振和電容組成的振蕩電路用于構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘。圖3.3 CPU單元電路圖3.4時(shí)鐘信號設(shè)計(jì) 時(shí)鐘引腳為XTAL1、XTAL2。時(shí)鐘引腳外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構(gòu)成了一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端。這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。 XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端

18、，在單片機(jī)內(nèi)部接至內(nèi)部反向放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 本系統(tǒng)采用晶振時(shí)鐘電路。外部晶振以及電容C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和穩(wěn)定性。外接晶振時(shí)，C1和C2通常選擇30pf,晶振采用12MHz。圖3.4 時(shí)鐘電路圖3.5 報(bào)警單元的設(shè)計(jì) 在監(jiān)測系統(tǒng)中，對于重要的參數(shù)一般都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變

19、換之后，與該參數(shù)上下限設(shè)定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示。 本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過單片機(jī)的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動。在圖中，P3.2接晶體管基極輸入端。當(dāng)P3.2輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)P3.2輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。三極管驅(qū)動的峰鳴音報(bào)警電路3.6 按鍵單元的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用7個(gè)獨(dú)立按鍵完成對溫、濕度上下限的設(shè)定。七個(gè)按鍵的功能分別是：按鍵1：進(jìn)入溫度上下限設(shè)定；按鍵2：進(jìn)入濕度上下限設(shè)定；按鍵3：進(jìn)入上限設(shè)定；按鍵4：進(jìn)入下限設(shè)定；按鍵5：溫度或濕度的上限或下限值加1；按鍵6：溫度或濕度的上限或下限值減1；按鍵7：退出溫、濕度上下限設(shè)定。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想開始初始化顯示當(dāng)前溫濕度值按鍵掃描否鍵值處理 是更改濕度上下限更改溫度上下限確認(rèn)并退出溫濕度上下限修改主程序流程