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仓库温度湿度检测
1概述
1.1课题意义
近几年来仓库的机械化、自动化程度不断提高,一些智能化仓库管理技术如检测技术、监视技术和控制技术等在仓库管理中得到广泛应用。
在粮食、药材等的储存仓库,若不对仓库内的温度或湿度进行实时检测,就不能及时了解粮食、药材的储藏状况,可能发生腐烂,造成极大的经济损失。
由于仓库对环境温度和湿度提出了很高的要求,因此能否有效地对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测和控制是一个必须解决的重要课题。
本系统解决的就是温、湿度的实时检测,只要两者之中的任何一个超过限制,就启动报警系统,使人们能够及时发现问题,采取有效的措施,以此避免不必要的损失。
1.2设计任务
本课题是针对仓库设计的通用温、湿度检测仪,它可以实现的功能是:
(1)实时采集外界温度和相对湿度的变化,并在数码管上实现实时显示;
(2)可通过键盘设定温、湿度报警值,且报警值掉电不丢失信息;
(3)可实现温、湿度超限声、光报警。
1.3主要技术方案
仓库在温湿度检测发生故障时,会使其存储物腐烂,从而造成直接和间接的巨大经济损失。
我们设计了一套温、湿度检测系统,实时检测仓库的温、湿度,本系统由AT89C51单片机、键盘显示电路、报警电路、数字温度传感器、湿度传感器、看门狗电路及E2ROM组成,完成对仓库内温、湿度数据的采集、显示和超限报警。
本装置的结构框图如图1-1。
键盘输入
图1-1系统结构框图
1.4本文主要工作
本专题是温湿度检测仪的数据采集部分,要完成的主要工作是:
(1)选择温度传感器;
(2)设计湿度传感器;
(3)设计数据采集系统的硬件电路;
(4)采集系统软件设计与编程。
2系统总体设计
2.1系统特点
本系统实时采集外界温度和湿度信号,并送单片机处理,处理结果送LED显示,用户通过键盘设定上限值后,报警电路对外界温、湿度进行监控。
特点:
(1)用数字式温度传感器,与单片机接口简单,可靠。
(2)采用的湿度传感器输出频率信号,便于单片机采集和处理。
(3)看门狗电路,提高系统可靠性。
(4)E2ROM保存键盘输入参数,掉电不丢失信息。
2.2系统设计
在系统上电后,温、湿度传感器开始实时采集温、湿度数据并显示出来,直到操作者按下“设定”键。
此时系统停止采集数据,操作者可以通过键盘设定温度和湿度的上限,系统会立即把设定值通过数码管显示出来。
操作者按下“运行”键后,系统会把数码管显示的上限存入E2ROM中,接着才又开始采集温湿度数据,并在每一次采集之后立即将其分别与存于E2ROM中的温湿度上限作比较。
一旦采集的数据高于上限,就启动报警电路报警;若没有超过上限,则又重复上述过程。
在采集的数据显示过程中可以重新设定报警值。
系统以AT89C51单片机为核心,由温湿度数据采集、键盘显示、看门狗定时器、E2ROM及报警电路组成。
2.2.1数据采集系统
1.温度传感器
目前在市面上有各式各样的温湿度传感器。
这里采用的温度传感器是美国Dallas公司开发出的DS18B20单线数字温度传感器。
DS18B20可以把温度信号直接转换为数字量,而无须A/D转换器与数据调理电路,既简化电路,又提高电路的可靠性。
采用单总线原理,易于电路扩展,只需在相应单总线上继续挂接器件即可,是现代集成式温度传感器的首选器件。
此设计将DS18B20的数据线接到89C51的P1.0口进行数据输入输出。
2.湿度传感器
设计中采用的湿度敏电容是HS1101,将其置于555振荡电路就构成湿度传感器,可以得到与环境相对湿度成比例关系的频率信号,将此数字信号可直接接入89C51的T1计数器计数。
同时把T0设定为1秒的定时器,89C51每隔1秒钟处理一次T1计得的数,此数才是所需要的频率。
2.2.2键盘显示系统
本系统采用HD7279A完成数据输入与数据显示。
HD7279A是一片具有串行接口的,可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片,该芯片同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视,具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能,从而可以提高CPU工作的效率。
HD7279A和微处理器之间采用串行接口,其接口电路和外围电路简单,占用的串口少,具有较高的性能价格比。
2.2.3看门狗电路及E2ROM
这里选用了Xicor公司生产的可编程看门狗监控E2ROM芯片X25045。
此芯片把看门狗电路、电压监控和E2ROM组合在一起,降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。
看门狗定时器对主控机提供了一个独立的保护机制,一旦单片机因干扰而程序走失,可通过复位电路使单片机复位,保证系统可靠运行。
X25045中的E2ROM存储DS18B20的序列号和用户设定的上限,保证掉电时不丢失信息,这样也不必每次接上电源时重新写入数据。
2.2.4报警电路
本电路完成系统报警功能,即在温、湿度超出报警值时,对应于温、湿度传感器的各个相应发光二极管灯亮,同时蜂鸣器蜂鸣,显示报警状态。
3硬件电路设计
数据采集部分由单片机AT89C51、温度传感器DS18B20、和湿度传感器HS1101等组成。
具体的电路图如下图3-1所示。
图3-1数据采集硬件电路图
由图可见,DS18B20的数据线直接与89C51的P1.0连接;HS1101和TLC555等构成振荡电路,输出的是频率信号,接入T1口计数;而X25045的八个管脚分别与89C51的P1.4~P1.7口连接。
整个数据采集电路简单可靠。
3.1单片机AT89C51
AT89C51是由ATMEL公司在MCS-51单片机的基础上设计生产的高性能八位单片机。
1.特点
·AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容
·片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器
·全静态工作,工作范围:
0Hz~24MHz
·三级程序存储器加密
·128×8位内部RAM
·32位双向输入输出线
·两个十六位定时器/计数器
·五个中断源,两级中断优先级
·一个全双工的异步串行口
·间歇和掉电工作方式
2.功能描述
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器,能重复写入/擦除解1000次,数据保存时间为十年。
它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。
只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽2.7V~6V,全静态工作,工作频率宽,在0Hz~24MHz内,比8751/87C51等51系列的6MHz~12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时/计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
3.管脚功能
AT89C51单片机为40引脚芯片,如下图3-2所示。
图3-2AT89C51
(1)I/O口线:
P0、P1、P2、P3共四个八位口。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。
由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存信号用ALE。
P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,是准双向口。
P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能,作为第一功能使用时操作同P1口。
P3口的第二功能见表3-1。
(2)控制口线:
(片外取控制)、ALE(地址锁存控制)、
(片外储器选择)、RST(复位控制)。
(3)电源及时钟:
VCC,GND;XTAL1,XTAL2。
表3-1P3口的第二功能
第一功能标记
第二功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时/计数器0外部输入
P3.5
T1
定时/计数器1外部输入
P3.6
WD
外部数据存储器写选通
P3.7
RD
外部数据存储器读选通
3.2数字温度传感器DS18B20
测温器件常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型及石英谐振型,还有集成式等。
它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值,热电势等)的变化的原理。
随着测量技术的不断发展,出现了适用于高温、强磁场干扰等恶劣环境的光纤温度传感器。
其中,我们常用的温度传感器有电阻式温度传感器,热电偶温度传感器和集成式温度传感器等。
其中,集成温度传感器利用PN结的温度特性,与热敏电阻、热电偶等其它温度传感器相比,具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等特点;另外,它将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片机上,有尺寸小、使用方便等特点。
现代的温度传感器都将恒流源、放大电路、补偿电路集成在一起做成集成温度传感器,
集成温度传感器的输出形式有:
模拟输出、逻辑输出和数字输出。
模拟输出型温度传感器的输出电压或电流随温度的变化呈线性变化关系,可理想地取代热电偶。
这种温度传感器常用于温度测量、温度补偿等系统,例如:
LCD的对比度通常随温度的变化而改变,为保持恒定的对比度,可采用温度传感器的测量值对LCD的偏置电压加以调整;另外,在数字相机中,常用模拟输出温度传感器补偿“自动聚焦”参数随温度的变化量。
逻辑输出型温度传感器结构比较简单,且成本较低,主要用于温度控制系统。
数字输出型温度传感器一般带有串行接口,可以与微处理器或其它数字系统直接进行数据交换,用于CPU、智能电池的监测和其它温度测量系统。
目前常用的集成式温度传感器有电流型输出的AD590和数字式输出的DS18B20温度传感器。
为便于单片机操作,本设计采用了数字输出的DS18B20温度传感器。
3.2.1DS18B20
1.概述
由单片机集成电路构成的单线数字温度传感器由于其外围电路结构简单,使用方便,开发成本底,开发周期短而得到很广泛的应用。
以前的温度传感器大都输出的是模拟信号,不能直接送入单片机等微处理器进行测量,而且要做多点测量十分麻烦,所以在多点温度测量中得不到广泛的应用。
美国Dallas公司开发出的DS18B20单线数字温度传感器具有与一般模拟温度传感器相当的测量范围和精度,输出直接表示温度值的12位(二进制)数字。
由于DS18B20具有全球唯一的序列号,故一根总线可以挂接任意多个DS18B20。
DS18B20有数据总线供电和外部电源供电两种供电方式,可以非常方便地构成单线多点温度测量系统。
DS18B20为一单总线的数字温度传感器,可提供9~12位(二进制)的数据来指示传感器的温度。
数据信息从DS18B20之间只需一根数据线(和地线)连接即可。
若采用外部电源供电方式只需三条线即可。
因为每一片DS18B20具有全球唯一的序列号,所以任意多个DS18B20可共享同一数据线。
DS18B20的测温范围从-55℃~+125℃,在-10~85℃之间的精度达±1/2℃,在整个测量范围内具有±2℃的测量精度。
2.主要特性
·单线接口,只需一根口线与CPU连接
·不需要外部元件,不需要备份电源,可用数据供电
·支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的单总线上
·温度测量范围从-50℃~125℃
·通过编程可实现1/2~1/16的四级精度转换
·在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量
·用户可自设定非易失的报警上下限值
·报警搜索命令可以识别哪片DS18B20超限
·芯片本身带有命令集和存储器
3.引脚及说明
DS18B20的引脚和说明见图3-3。
引脚说明:
GND 地
DQ 数据输入输出
VDD 电源电压
NC 不连接
图3-3图形及引脚说明
3.2.2内部结构
DS18B20内部结构如图3-4所示。
DS18B20有三个主要的数据部件:
(1)64位激光ROM;
(2)温度敏感元件;(3)非易失性温度告警触发器TH和TL。
DS18B20的电源可以由数据线本身提供,但是在有些特定的应用环境中,要求温度的测量尽量快些,因此一般都采用外部电源供电方式。
图3-4DS18B20内部结构框图
3.2.3测温原理
DS18B20的测温原理如图3-5所示。
低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数,通过该计数值来测量温度。
计数器被预置为与-55℃对应的一个基数值,如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零,表示测量的温度高于-55℃,被预置在-55℃的温度寄存器的值就增加一个增量,同时为了补偿温度振荡器的抛物线特性,计数器被斜率累加器所决定的值进行预置,时钟再次使计数器计数直至零,如果开门通时间仍未结束,那么重复此过程,直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。
这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。
图3-5DS18B20的测温原理图
3.2.464位激光ROM
每一个DS18B20包括一个唯一的64位ROM编码。
开始8位是单线产品系列编码,接着的48位是每个器件唯一的序列号,最后8位是前56位的CRC校验码。
64位ROM和ROM操作控制部分允许DS18B20作为一个单线器件工作并遵循单线协议。
直到ROM操作协议被满足,DS18B20控制部分的功能是不可访问的。
64位ROM结构如下所示:
8位校CRC编号
48位序列号
8位产品系列编号
MSBLSBMSBLSBMSBLSB
3.2.5存贮器
DS18B20的存贮器如下图所示。
存贮器由一个高速暂存(便簽式)RAM和一个非易失性,电可擦除E2RAM组成,后者存贮高温度和低温度触发器TH和TL。
暂存存贮器有助于在单线通信时确保数据的完整性。
数据首先写入暂存存贮器,在那里它可以被读回。
当数据被校验之后,复制暂存存贮器的命令把数据传送到非易失性E2RAM,这一过程确保了更改存贮器时数据的完整性。
BYTE
0
1
2
3
4
5
6
7
8
E2RAM
TH值
TL值
配置
温度LSB
温度MSB
TH值
TL值
配置
保留
保留
保留
CRC
便簽式RAM占9个字节,包括温度信息(1、2字节)、TH和TL值(3、4字节)、计数寄存器(7、8字节)、CRC(9字节),第5、6字节不用。
设置寄存器的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,该字节每位的意义如下:
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
其中R1和R2用来设置分辨率,DS18B20在出厂时被设置为12位。
3.2.6温度表示
此处DS18B20用12位存贮温度值,最高位为符号位。
下图为18B20的温度存储方式,负温度S=1,正温度S=0。
温度转换命令使温度转换发生,数值存储在暂存存储器中,温度读数以16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。
MSB
S
S
S
S
S
26
25
24
LSB
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
DS18B20输出数据与温度的对应关系见表3-2。
表3-2输出数据与温度的对应关系
温度
温度数据输出(2进制)
温度数据输出
(16进制)
125℃
0000011111010000
07D0H
85℃
0000010101010000
0550H
25.0625℃
0000000110010001
0191H
10.125℃
0000000010100010
00A2H
0.5℃
0000000000001000
0008H
0℃
0000000000000000
0000H
-0.5℃
111111*********0
FFF8H
-10.125℃
111111*********0
FF5EH
-25.062℃
111111*********1
FF6FH
-55℃
111111*********0
FC90H
3.2.7ROM操作命令
一旦总线主机检测到从属器件的存在,它便可以发出器件ROM操作命令之一。
所有ROM操作命令均为8位长,如表3-3所示。
3.2.8存储器操作命令
对DS18B20内部的可擦写数据存储器的操作也有自己的命令,具体功能如表3-4所示。
3.2.9工作原理及时序
由于DS18B20是单总线的数字温度传感器,所有的数据读出与写入都经过DQ这根总线,要求操作严格按时序进行才不会导致出错。
DS18B20主要有以下三个操作:
初始化,序列号访问命令和内存访问命令
表3-3ROM操作命令
指令
说明
读ROM(33H)
在总线上仅有一个DS18B20时,允许总线主机读出其序列号
匹配ROM(55H)
后继以64位的ROM数据序列,允许总线主机对单点及多点总线上特定的DS18B20寻址,只有与64位ROM序列严格相符的DS18B20才能对后继的存储器操作命令做出响应。
所有与64位ROM序列号不符的从片将等待复位脉冲。
跳过ROM(CCH)
在单点总线系统中,允许主机不提供64位ROM编码而访问寄存器
搜索ROM(F0H)
允许总线主机使用一种“消去”处理来识别总线上所有从片的64位ROM编码
报警搜索(ECH)
仅温度越限的器件对此命令做出响应
表3-4存储器操作命令
指令
说明
约定代码
发出约定代码后单总线的操作
温度变换
启动温度变换
44h
等待750ms
读暂存存储器
从暂存存储器读字节
BEh
读9字节数据
写暂存存储器
写字节至暂存存储器地址2到4处(TH和TL温度触发器和配置)
4Eh
写数据至地址2至4三个字节
复制暂存
存储器
把暂存存储器复制入非易失性存储器(仅地址2-4)
43h
读复制状态
重新调出E2
把储存在非易失性存储器内的数值重新调入暂存存储器
E3h
读温度忙状态
读电源
发DS18B20电源方式的信号至主机
B4h
读电源状态
(1)初始化:
主机通过信号线,向DS18B20发送480~960μS的负脉冲,在15~60μS后,DS18B20发出60~240μS的应答脉冲,就准备接受主机传送的访问ROM的命令。
(2)序列号访问命令:
接下来,用户通过信号线,发送一个特定的64位序列号编码,信号线上的DS18B20都进行编码匹配,只有编码一致的DS18B20才被激活,可以接受下面的内存访问命令;
(3)内存访问命令:
在DS18B20被复位后,主机就对其进行内存访问,读取温度数据,设定温度报警限等。
DS18B20工作过程中的协议为:
初始化(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行,协议由几种单线上信号类别型组成:
复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。
所有这些信号,除了存脉冲外,均由总线主机产生。
1.初始化
单总线上的所有处理均从初始化开始,时序如图3-6。
图3-6初始化过程“复位和存在脉冲”
主机总线向DS18B20发送一个复位脉冲(480μS~960μS的低电平信号),然后释放总线并进入接受状态,DS18B20在检测到总线的上升沿之后,等待15~60μS,接着发送存在脉冲(低电平,持续60~240μS)。
2.读/写时间片
通过使用时间片来读出和写入DS18B20的数据,时间片用于处理数据位和指定进行何种操作的命令字。
读/写时序图见图3-7。
图3-7读/写时序
·写时间片
当主机将数据线从高拉到低时,产生写时间片,有写0和写1两种。
写时间片开始时,DS18B20在15~60μS期间进行采样,如果I/O线为高电平,写1就发生;如果线为低电平,便发生写0。
在各写周期之间必须有最短为1mS的恢复时间。
对于主机产生写1时间片的情况,数据线必须先被拉至逻辑低电平,然后就被释放,使数据线在写时间片开始之后的15mS之内被拉至高电平。
对于主机产生写0时间片的情况,;数据线必须被拉至逻辑低电平且至少保持60μS。
·读时间片
当从DS18B20读数据时,主机产生读时间片。
当主机将数据线从逻辑高电平拉至低电平时,产生读时间片。
数据线必须保持在低逻辑电平至少1μs,来自DS18B20的输出数据在读时间片下降沿之后15微秒有效。
因此,为了读出从读时间片开始算起15微秒的状态主机必须停止把I/O引脚驱动至低电平。
在读时间片结束时,I/O引脚经过外部的上拉电阻回至高电平。
每个读周期最短的持续期为60μs,各个读周期之间也必须有1μs以上的高电平恢复期。
3.3湿度传感器
测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
气体物质的湿度有几种表示方法:
绝对湿度、相对湿度和露点温度。
其中与生产生活直接有关的是相对湿度。
常用的检测方法有:
毛发湿度计、干湿球湿度计、露点法、氯化锂湿敏元件、碳粒树脂湿敏元件、氧化铁湿敏膜元件、多孔陶瓷湿敏元件和高分子膜湿敏电容。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
本设计选用HS1101湿敏电容与TLC555等构成湿度传感器。
3.3.1HS1101特点
·专业设计的固态聚合物结构
·高可靠性与长时间稳定性
·适合线性电压与输出回路
·不需校准的完全互换性,快速响应时间
HS1101为侧面接触封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,可应用于湿度变送器、湿度仪表、湿度控制器及其它需要湿度,适图3-8HS1101外形图
宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
右图3-8为HS1101的外形图,HS1101的特性参数见表3-5。
表3-5HS1101的特性参数
特性参数
典型值
单位
湿度测量范围
1~99%
RH
供电电压
5
V
标称电容@55%RH
180
Pf
温度系数
0.04
Pf/℃
33-75%的平均灵敏度
0.34
Pf/%RH
漏电流
1
Na
150小时结露后恢复时间
10
S
湿度迟滞
±1.5
%
长时间稳定性
0.5
%RH/yr
响应时间
5
S
偏离曲线
±2
%RH
工作温度
-40~100
℃
储存温度
-40~125
℃
图3-9为湿敏电容工作的温、湿度范围,图3-10为湿度-电容响应曲线。
图2
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