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單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)
摘要：介紹了環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控裝置的研制思路和方法。該裝置可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制，并附有通信接口以及可控制多種設(shè)備的多點(diǎn)時(shí)間控制電路，能方便地應(yīng)用于各種溫濕度控制場(chǎng)合。環(huán)境條件中的溫濕度指標(biāo)是許多工作場(chǎng)合的重要參數(shù)，不論是倉(cāng)庫(kù)管理、圖書(shū)保存還是工業(yè)測(cè)量與計(jì)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信，而且便于功能的擴(kuò)展，可保證溫度、濕度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。此外，該裝置還可自動(dòng)控制多個(gè)設(shè)備的多點(diǎn)時(shí)間控制電路，因而具有更廣泛的應(yīng)用前景。該裝置可實(shí)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(diǎn)；
●可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度的變化情況，并記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)；
●對(duì)環(huán)境溫濕度的控制可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)；
●具有多點(diǎn)定時(shí)設(shè)備控制電路，便于功能擴(kuò)展；
●設(shè)有語(yǔ)音提示功能，可方便地實(shí)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(jì)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(jì)
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(guó)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(diǎn)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(shì)。ＰＩＣ１６Ｃ７３在芯片內(nèi)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(chǔ)器、１９２個(gè)數(shù)據(jù)寄存器、２２個(gè)Ｉ／Ｏ口?、３個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器及２個(gè)捕捉／ 比較／ＰＷＭ模塊和２個(gè)串行口，其中Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器具有５路模擬量輸入端，同時(shí)還具有時(shí)鐘、復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)器等。這５路模擬量輸入通道共同復(fù)用一個(gè)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(dòng)電路，因而可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(pán)顯示電路、看門(mén)狗電路、電器驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)間設(shè)置及定時(shí)驅(qū)動(dòng)電路、ＲＳ－２３２通信等電路。下面以計(jì)量實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制為例，對(duì)各主要電路加以介紹。
１．１ 溫度檢測(cè)電路
溫度檢測(cè)電路選用Ｄａｌｌａｓ公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８２０作為溫度檢測(cè)器件，該器件只有３個(gè)引腳（即電源ＶＤＤ、地線(xiàn)ＧＮＤ、數(shù)據(jù)線(xiàn)ＤＱ），且不需要外部元件，而是共用一條數(shù)據(jù)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(cè)溫度范圍為－５５～＋１２５℃；精度為０．５℃；用９ｂｉｔ數(shù)字量來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的檢測(cè)，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(fù)位脈沖，以使ＤＳ１８２０復(fù)位后將向ＰＩＣ１６Ｃ７３發(fā)送一個(gè)回應(yīng)脈沖，ＰＩＣ１６Ｃ７３接到回應(yīng)脈沖后將發(fā)送讀ＤＳ１８２０序列號(hào)的讀ＲＯＭ命令，以分別讀取三個(gè)ＤＳ１８２０的序列號(hào)（每一塊ＤＳ１８２０有唯一的序列號(hào)）；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(zhuǎn)換。此時(shí)ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ１腳應(yīng)輸出一個(gè)保持２ｓ以上的高電平信號(hào)來(lái)使ＳＫ２１４導(dǎo)通，從而提供ＤＳ１８２０在總線(xiàn)供電下進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)所需的１ｍＡ電流。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完成后，ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳會(huì)發(fā)送ＤＳ１８２０的存儲(chǔ)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(cè)電路
濕度信號(hào)的獲取采用電容式濕敏傳感器作為濕度檢測(cè)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(zhuǎn)換成ＰＩＣ１６Ｃ７３可以接受的電信號(hào)，本例中采用ＥＬ７５５６來(lái)實(shí)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(hào)并從５腳送至８腳。調(diào)節(jié)Ｒ２可對(duì)該脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)整，從而使?jié)穸葌鞲衅鞯木�(xiàn)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(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(zhuǎn)換以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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(duì)變化率為＋１．７ｐＦ／％。當(dāng)濕度為０％～１００％ＲＨ時(shí)，９腳輸出的相應(yīng)信號(hào)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(shí)，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(shí)及控制驅(qū)動(dòng)電路
定時(shí)主要用于提前預(yù)熱儀器設(shè)備和定時(shí)語(yǔ)音提醒等，該功能的實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)來(lái)完成。時(shí)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(jiǎn)化分頻、定時(shí)程序的編寫(xiě)。可選用看門(mén)狗電路來(lái)作為定時(shí)基準(zhǔn)，看門(mén)狗每１８ｍｓ復(fù)位一次可確保時(shí)鐘的準(zhǔn)確及語(yǔ)音電路的播放操作。
控制驅(qū)動(dòng)電路用于保護(hù)儀器。各個(gè)電磁閥的導(dǎo)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(dǎo)通，接通穩(wěn)壓電源；６?０２以后每間隔２分鐘接通一個(gè)相應(yīng)設(shè)備（應(yīng)先啟動(dòng)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(shí)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(jì)量檢定的質(zhì)量。電器驅(qū)動(dòng)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(guò)零型固態(tài)繼電器來(lái)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(jì)時(shí)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(gè)設(shè)備以滿(mǎn)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(cè)到溫濕度信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，將從ＲＡ３口發(fā)出控制信號(hào)，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(yīng)的電器工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的控制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(guó)產(chǎn)
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