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單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫濕度實時測控裝置設(shè)計
摘要：介紹了環(huán)境溫濕度實時測控裝置的研制思路和方法。該裝置可實現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度的實時測量與控制，并附有通信接口以及可控制多種設(shè)備的多點時間控制電路，能方便地應(yīng)用于各種溫濕度控制場合。環(huán)境條件中的溫濕度指標(biāo)是許多工作場合的重要參數(shù)，不論是倉庫管理、圖書保存還是工業(yè)測量與計量檢定，都需要符合操作規(guī)定的溫濕度環(huán)境條件。而溫濕度也是最不易保障的指標(biāo)，針對這一情況，研制可靠且實用的溫濕度控制器顯得非常重要。本文介紹的溫濕度實時控制裝置可在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ（相對濕度）的范圍內(nèi)任意設(shè)定溫濕度值，其附加的通信接口可方便地實現(xiàn)與計算機(jī)的實時通信，而且便于功能的擴(kuò)展，可保證溫度、濕度滿足設(shè)計指標(biāo)。此外，該裝置還可自動控制多個設(shè)備的多點時間控制電路，因而具有更廣泛的應(yīng)用前景。該裝置可實現(xiàn)的功能如下：
●在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ間可任意設(shè)定溫濕度控制點；
●可以實時監(jiān)測環(huán)境溫濕度的變化情況，并記錄、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)；
●對環(huán)境溫濕度的控制可滿足設(shè)計指標(biāo)；
●具有多點定時設(shè)備控制電路，便于功能擴(kuò)展；
●設(shè)有語音提示功能，可方便地實現(xiàn)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(jī)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(shè)計
該裝置的硬件框圖如圖１所示。它主要由單片機(jī)ＰＩＣ１６Ｃ７３及外部電路構(gòu)成。ＰＩＣ１６Ｃ７３是由美國Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的８位單片微機(jī)，采用Ｈａｒｖａｒｄ結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可使指令執(zhí)行和取指操作重疊進(jìn)行，因而具有很高的執(zhí)行速度。它只有３５條單字節(jié)指令，除了跳轉(zhuǎn)指令是２周期指令外，其它指令都是單周期指令。這些特點使它較之于別的８位單片機(jī)節(jié)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(nèi)集成了一個８位算術(shù)邏輯單元和工作寄存器、４ｋ程序存儲器、１９２個數(shù)據(jù)寄存器、２２個Ｉ／Ｏ口?、３個定時／計數(shù)器及２個捕捉／ 比較／ＰＷＭ模塊和２個串行口，其中Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器具有５路模擬量輸入端，同時還具有時鐘、復(fù)位、看門狗定時器等。這５路模擬量輸入通道共同復(fù)用一個采樣／保持和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。ＰＩＣ１６Ｃ７３外接溫濕度采樣電路及電器驅(qū)動電路，因而可實現(xiàn)對溫濕度的控制。該系統(tǒng)硬件主要包括本機(jī)地址設(shè)定電路、采樣電路、鍵盤顯示電路、看門狗電路、電器驅(qū)動電路、時間設(shè)置及定時驅(qū)動電路、ＲＳ－２３２通信等電路。下面以計量實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)的一線式數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８２０作為溫度檢測器件，該器件只有３個引腳（即電源ＶＤＤ、地線ＧＮＤ、數(shù)據(jù)線ＤＱ），且不需要外部元件，而是共用一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，使用一根Ｉ／Ｏ線通信時，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(shù)字量來表示溫度；每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需２００ｍｓ。筆者采用三塊ＤＳ１８２０來實現(xiàn)對實驗室環(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，先由ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳發(fā)送一個１ｍｓ的復(fù)位脈沖，以使ＤＳ１８２０復(fù)位后將向ＰＩＣ１６Ｃ７３發(fā)送一個回應(yīng)脈沖，ＰＩＣ１６Ｃ７３接到回應(yīng)脈沖后將發(fā)送讀ＤＳ１８２０序列號的讀ＲＯＭ命令，以分別讀取三個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的ＤＳ１８２０并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。此時ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ１腳應(yīng)輸出一個保持２ｓ以上的高電平信號來使ＳＫ２１４導(dǎo)通，從而提供ＤＳ１８２０在總線供電下進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時所需的１ｍＡ電流。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完成后，ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳會發(fā)送ＤＳ１８２０的存儲命令，從而完成溫度信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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性關(guān)系，所以可方便地將濕度轉(zhuǎn)換成ＰＩＣ１６Ｃ７３可以接受的電信號，本例中采用ＥＬ７５５６來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。ＥＬ７５５６由積分電路、基準(zhǔn)電路、頻率轉(zhuǎn)換電路及頻率—電壓（Ｆ／Ｖ）轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)Ｒ２可對該脈沖信號頻率進(jìn)行調(diào)整，從而使?jié)穸葌鞲衅鞯木�性和靈敏度處于較好狀態(tài)；基準(zhǔn)電路和頻率轉(zhuǎn)換電路可將濕度傳感器的電容變化轉(zhuǎn)換成頻率變化，再經(jīng)頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路后從９腳輸出與頻率成線性的電壓，然后經(jīng)Ｃ３等濾波后送入ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ０端，再進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)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時的電容值為５００ｐＦ，電容相對變化率為＋１．７ｐＦ／％。當(dāng)濕度為０％～１００％ＲＨ時，９腳輸出的相應(yīng)信號頻率為０～１０００Ｈｚ，精度為２％，Ｆ／Ｖ電路輸出的電壓為０～５Ｖ。調(diào)整時，可先設(shè)定濕度為５％ＲＨ，然后調(diào)節(jié)Ｒ２，使９腳輸出１００ｍＶ電壓即可。
１．３ 定時及控制驅(qū)動電路
定時主要用于提前預(yù)熱儀器設(shè)備和定時語音提醒等，該功能的實現(xiàn)由單片機(jī)來完成。時鐘頻率選用３２．７６８ｋＨｚ，該頻率可使單片機(jī)工作在最小功耗狀態(tài)并可簡化分頻、定時程序的編寫�？蛇x用看門狗電路來作為定時基準(zhǔn)，看門狗每１８ｍｓ復(fù)位一次可確保時鐘的準(zhǔn)確及語音電路的播放操作。
控制驅(qū)動電路用于保護(hù)儀器。各個電磁閥的導(dǎo)通要有一定的時間間隔，本例中為２分鐘。推薦的工作方式為：６：００電磁閥１導(dǎo)通，接通穩(wěn)壓電源；６?０２以后每間隔２分鐘接通一個相應(yīng)設(shè)備（應(yīng)先啟動感性及大功率設(shè)備）。這樣，當(dāng)８：００上班后即可保證有些需要預(yù)熱１～２小時的儀器設(shè)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(qū)動電路控制的設(shè)備主要包括空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)、吸濕機(jī)、加濕機(jī)等，可分別采用過零型固態(tài)繼電器來控制工作。為了便于擴(kuò)展該裝置的功能，系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的擴(kuò)展空間。因此，設(shè)計時可用ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ３口作控制口，另外可外擴(kuò)兩片ＰＣＦ８５７４以作備用。該系統(tǒng)最多可控制１６個設(shè)備以滿足不同需要。繼電器采用交流固態(tài)繼電器，其內(nèi)部采用光電隔離方式，可有效地避免電磁干擾。當(dāng)單片機(jī)檢測到溫濕度信號超過設(shè)定值時，將從ＲＡ３口發(fā)出控制信號，并通過光耦產(chǎn)生大于５ｍＡ的觸發(fā)電流使固態(tài)繼電器啟動相應(yīng)的電器工作，從而實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的控制。設(shè)計時應(yīng)注意各個電器不要同時啟動以免沖擊電網(wǎng)，這部分工作可由軟件延時完成。固態(tài)繼電器可選擇國產(chǎn)
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