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單片機構成的環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)測控裝置設計
摘要：介紹了環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)測控裝置的研制思路和方法。該裝置可實(shí)現環(huán)境溫度、濕度的實(shí)時(shí)測量與控制，并附有通信接口以及可控制多種設備的多點(diǎn)時(shí)間控制電路，能方便地應用于各種溫濕度控制場(chǎng)合。環(huán)境條件中的溫濕度指標是許多工作場(chǎng)合的重要參數，不論是倉庫管理、圖書(shū)保存還是工業(yè)測量與計量檢定，都需要符合操作規定的溫濕度環(huán)境條件。而溫濕度也是最不易保障的指標，針對這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫濕度控制器顯得非常重要。本文介紹的溫濕度實(shí)時(shí)控制裝置可在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ（相對濕度）的范圍內任意設定溫濕度值，其附加的通信接口可方便地實(shí)現與計算機的實(shí)時(shí)通信，而且便于功能的擴展，可保證溫度、濕度滿(mǎn)足設計指標。此外，該裝置還可自動(dòng)控制多個(gè)設備的多點(diǎn)時(shí)間控制電路，因而具有更廣泛的應用前景。該裝置可實(shí)現的功能如下：
●在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ間可任意設定溫濕度控制點(diǎn)；
●可以實(shí)時(shí)監測環(huán)境溫濕度的變化情況，并記錄、存儲相關(guān)數據；
●對環(huán)境溫濕度的控制可滿(mǎn)足設計指標；
●具有多點(diǎn)定時(shí)設備控制電路，便于功能擴展；
●設有語(yǔ)音提示功能，可方便地實(shí)現儀器操作和工作管理提示；
●配有通信接口，可方便地與計算機進(jìn)行通信；
●溫濕度控制的精度分別為：溫度（０～５０℃）±０．５℃；濕度（２０％～９８％ＲＨ）±２％～３％ＲＨ。
圖1
１ 硬件設計
該裝置的硬件框圖如圖１所示。它主要由單片機ＰＩＣ１６Ｃ７３及外部電路構成。ＰＩＣ１６Ｃ７３是由美國Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的８位單片微機，采用Ｈａｒｖａｒｄ結構，這種結構可使指令執行和取指操作重疊進(jìn)行，因而具有很高的執行速度。它只有３５條單字節指令，除了跳轉指令是２周期指令外，其它指令都是單周期指令。這些特點(diǎn)使它較之于別的８位單片機節省了１／２的程序空間，并具有４?１的速度優(yōu)勢。ＰＩＣ１６Ｃ７３在芯片內集成了一個(gè)８位算術(shù)邏輯單元和工作寄存器、４ｋ程序存儲器、１９２個(gè)數據寄存器、２２個(gè)Ｉ／Ｏ口?、３個(gè)定時(shí)／計數器及２個(gè)捕捉／ 比較／ＰＷＭ模塊和２個(gè)串行口，其中Ａ／Ｄ轉換器具有５路模擬量輸入端，同時(shí)還具有時(shí)鐘、復位、看門(mén)狗定時(shí)器等。這５路模擬量輸入通道共同復用一個(gè)采樣／保持和Ａ／Ｄ轉換器。ＰＩＣ１６Ｃ７３外接溫濕度采樣電路及電器驅動(dòng)電路，因而可實(shí)現對溫濕度的控制。該系統硬件主要包括本機地址設定電路、采樣電路、鍵盤(pán)顯示電路、看門(mén)狗電路、電器驅動(dòng)電路、時(shí)間設置及定時(shí)驅動(dòng)電路、ＲＳ－２３２通信等電路。下面以計量實(shí)驗室溫濕度的控制為例，對各主要電路加以介紹。
１．１ 溫度檢測電路
溫度檢測電路選用Ｄａｌｌａｓ公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數字溫度傳感器ＤＳ１８２０作為溫度檢測器件，該器件只有３個(gè)引腳（即電源ＶＤＤ、地線(xiàn)ＧＮＤ、數據線(xiàn)ＤＱ），且不需要外部元件，而是共用一條數據線(xiàn)進(jìn)行通信，使用一根Ｉ／Ｏ線(xiàn)通信時(shí)，ＤＳ１８２０的電源電壓是以寄生方式供電的，因此，只需將其ＶＤＤ和ＧＮＤ端接地即可。該電路的檢測溫度范圍為－５５～＋１２５℃；精度為０．５℃；用９ｂｉｔ數字量來(lái)表示溫度；每次將溫度轉換成數字量需２００ｍｓ。筆者采用三塊ＤＳ１８２０來(lái)實(shí)現對實(shí)驗室環(huán)境溫度的檢測，之所以用三塊，是為了更好地保持溫度的恒定。使用時(shí)可分別將這三塊ＤＳ１８２０放置在房間的不同位置。獲得溫度信息時(shí)，先由ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳發(fā)送一個(gè)１ｍｓ的復位脈沖，以使ＤＳ１８２０復位后將向ＰＩＣ１６Ｃ７３發(fā)送一個(gè)回應脈沖，ＰＩＣ１６Ｃ７３接到回應脈沖后將發(fā)送讀ＤＳ１８２０序列號的讀ＲＯＭ命令，以分別讀取三個(gè)ＤＳ１８２０的序列號（每一塊ＤＳ１８２０有唯一的序列號）；然后，ＰＩＣ１６Ｃ７３再發(fā)出定位命令以選擇在線(xiàn)的ＤＳ１８２０并進(jìn)行溫度轉換。此時(shí)ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ１腳應輸出一個(gè)保持２ｓ以上的高電平信號來(lái)使ＳＫ２１４導通，從而提供ＤＳ１８２０在總線(xiàn)供電下進(jìn)行溫度轉換時(shí)所需的１ｍＡ電流。當溫度轉換完成后，ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳會(huì )發(fā)送ＤＳ１８２０的存儲命令，從而完成溫度信息數據的轉換和讀取。
１．２ 濕度檢測電路
濕度信號的獲取采用電容式濕敏傳感器作為濕度檢測器件。環(huán)境濕度與傳感器電容成線(xiàn)性關(guān)系，所以可方便地將濕度轉換成ＰＩＣ１６Ｃ７３可以接受的電信號，本例中采用ＥＬ７５５６來(lái)實(shí)現轉換。ＥＬ７５５６由積分電路、基準電路、頻率轉換電路及頻率—電壓（Ｆ／Ｖ）轉換電路等組成，積分電路及Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１用于產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號并從５腳送至８腳。調節Ｒ２可對該脈沖信號頻率進(jìn)行調整，從而使濕度傳感器的線(xiàn)性和靈敏度處于較好狀態(tài)；基準電路和頻率轉換電路可將濕度傳感器的電容變化轉換成頻率變化，再經(jīng)頻率—電壓轉換電路后從９腳輸出與頻率成線(xiàn)性的電壓，然后經(jīng)Ｃ３等濾波后送入ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ０端，再進(jìn)行Ａ／Ｄ轉換以將其轉換成數字信號。本例中的濕敏傳感器為ＭＸＳ型電容式濕敏傳感器，濕度為７６％ＲＨ時(shí)的電容值為５００ｐＦ，電容相對變化率為＋１．７ｐＦ／％。當濕度為０％～１００％ＲＨ時(shí)，９腳輸出的相應信號頻率為０～１０００Ｈｚ，精度為２％，Ｆ／Ｖ電路輸出的電壓為０～５Ｖ。調整時(shí)，可先設定濕度為５％ＲＨ，然后調節Ｒ２，使９腳輸出１００ｍＶ電壓即可。
１．３ 定時(shí)及控制驅動(dòng)電路
定時(shí)主要用于提前預熱儀器設備和定時(shí)語(yǔ)音提醒等，該功能的實(shí)現由單片機來(lái)完成。時(shí)鐘頻率選用３２．７６８ｋＨｚ，該頻率可使單片機工作在最小功耗狀態(tài)并可簡(jiǎn)化分頻、定時(shí)程序的編寫(xiě)�？蛇x用看門(mén)狗電路來(lái)作為定時(shí)基準，看門(mén)狗每１８ｍｓ復位一次可確保時(shí)鐘的準確及語(yǔ)音電路的播放操作。
控制驅動(dòng)電路用于保護儀器。各個(gè)電磁閥的導通要有一定的時(shí)間間隔，本例中為２分鐘。推薦的工作方式為：６：００電磁閥１導通，接通穩壓電源；６?０２以后每間隔２分鐘接通一個(gè)相應設備（應先啟動(dòng)感性及大功率設備）。這樣，當８：００上班后即可保證有些需要預熱１～２小時(shí)的儀器設備進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，從而提高工作效率，保證計量檢定的質(zhì)量。電器驅動(dòng)電路控制的設備主要包括空調機、風(fēng)機、吸濕機、加濕機等，可分別采用過(guò)零型固態(tài)繼電器來(lái)控制工作。為了便于擴展該裝置的功能，系統應留有足夠的擴展空間。因此，設計時(shí)可用ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ３口作控制口，另外可外擴兩片ＰＣＦ８５７４以作備用。該系統最多可控制１６個(gè)設備以滿(mǎn)足不同需要。繼電器采用交流固態(tài)繼電器，其內部采用光電隔離方式，可有效地避免電磁干擾。當單片機檢測到溫濕度信號超過(guò)設定值時(shí)，將從ＲＡ３口發(fā)出控制信號，并通過(guò)光耦產(chǎn)生大于５ｍＡ的觸發(fā)電流使固態(tài)繼電器啟動(dòng)相應的電器工作，從而實(shí)現對相應設備的控制。設計時(shí)應注意各個(gè)電器不要同時(shí)啟動(dòng)以免沖擊電網(wǎng)，這部分工作可由軟件延時(shí)完成。固態(tài)繼電器可選擇國產(chǎn)
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