基于AVR單片機(jī)的多通道溫濕度傳感器檢定系統(tǒng)

摘要：為了提高溫濕度傳感器檢定的效率，為氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展提供快捷的服務(wù)，設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的多通道溫濕度傳感器檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件上采用AVR系列微控制器ATmega16和24位高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)信息采集；軟件系統(tǒng)基于RS 232串口，利用數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 2000和VC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度傳感器的自動(dòng)檢定。結(jié)果表明，系統(tǒng)大大提高了溫濕度傳感器的檢定效率和準(zhǔn)確度。
關(guān)鍵詞：微控制器；溫濕度傳感器；多通道傳感器；檢定系統(tǒng)

    隨著地面自動(dòng)氣象站的投入業(yè)務(wù)使用，山東省的大監(jiān)自動(dòng)氣象站和區(qū)域自動(dòng)氣象站已經(jīng)建成1 500多個(gè)，使我省的業(yè)務(wù)水平大幅提高，隨著業(yè)務(wù)量增加的同時(shí)，也給計(jì)量檢定工作能力提出了新的要求。但近些年來(lái)溫濕度傳感器的檢定很大程度上仍停留在人工檢定階段。這種檢定方法耗時(shí)、檢定效率低，因此迫切設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)檢定溫濕度傳感器的系統(tǒng)，為了改善這種狀況，在VC 6．0環(huán)境下使用MSComm通信控件和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)站溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)8路溫濕傳感器的數(shù)據(jù)批量采集，用以提高溫濕度傳感器的檢定效率和準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能描述
    該設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)和高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232為核心，能對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行檢定。該溫濕度傳感器是溫度和濕度一體化的傳感器，溫度檢測(cè)的原理為利用PT100對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。這樣就需要將鉑電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)溫度的采集。該設(shè)計(jì)采用REF200激發(fā)出200μA的恒流電流。濕度中輸出0～1 V的電壓，對(duì)應(yīng)0％～100％的濕度。為了達(dá)到對(duì)溫濕度值的高精度采集。在此采用高精度的24位A／D轉(zhuǎn)換器ADS1232來(lái)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)通過(guò)檢測(cè)溫濕度傳感器輸出的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)此溫濕度傳感器的檢定，單片機(jī)讀取的傳感器輸出信息，通過(guò)串口送入計(jì)算機(jī)中顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件綜述
    該系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)電路、恒流源激發(fā)電路、8路選擇電路、高精度A／D轉(zhuǎn)換電路ADS1232電路、串行通信電路等組成。
2．2 系統(tǒng)控制核心
    該系統(tǒng)采用ATmeGA16單片機(jī)。該單片機(jī)是一種低功耗8位RISC指令集單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，內(nèi)置512 B E2PROM，I／O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，特別適合低功耗型儀器儀表的控制。
    單片機(jī)通過(guò)對(duì)高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度和濕度的信息采集，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，通過(guò)比較實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢定傳感器的檢定。
    單片機(jī)核心電路如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通信的同步性，采用外部7．372 8 MHz晶振作為主時(shí)鐘。

2．3 恒流源激發(fā)電路
    該設(shè)計(jì)中采用REF200產(chǎn)生200μA的恒流源激勵(lì)，用于激勵(lì)PT100產(chǎn)生電壓信號(hào)，恒流源芯片REF200具有單通道輸出(100±0．5)μA的高精度，并且具有±25 ppm／℃極低的溫度漂移，這一特點(diǎn)使REF200非常適合用于此溫濕度傳感器中PT100的檢測(cè)。恒流源激勵(lì)電路如圖3所示。
2．4 溫、濕度8路通道選擇電路
    溫、濕度8路通道選擇電路采用通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)CD4051實(shí)現(xiàn)1～8的選擇。將REF200的輸出電流信號(hào)接入CD4051的3號(hào)管腳，單片機(jī)的I／O口輸出控制信號(hào)控制4051的A，B，C引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)X分別與X0～X7通道選通，如圖4所示。
2．5 高精度A／D轉(zhuǎn)換電路
    該設(shè)計(jì)中采用24位A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1232實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADS1232有兩路采集通道，這樣一個(gè)ADS1232就可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的同時(shí)轉(zhuǎn)換。其外圍電路如圖5所示。將溫度和濕度的電壓信號(hào)分別接入AINP1，AINN和AINP2，AINN2即可實(shí)現(xiàn)電壓的采集，為了獲得較高的電壓基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)采用REF3133作為ADS1232的A／D轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
3．1 單片機(jī)程序主流程圖
    系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。上電后主程序初始化寄存器(設(shè)置所用到的I／O口的輸入／輸出方式、外部中斷寄存器、串口通信協(xié)議等)，最后打開(kāi)串口接收中斷使能。當(dāng)進(jìn)入串口中斷時(shí)判斷當(dāng)前檢定幾路傳感器，然后依次采集各路通道的溫度和濕度值，將采集到的值通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)上上位機(jī)軟件顯示。

3．2 軟件系統(tǒng)的主要功能與實(shí)現(xiàn)
    該系統(tǒng)主要通過(guò)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的校準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。整個(gè)系統(tǒng)在VisualC++6．0環(huán)境下開(kāi)發(fā)，利用串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量采集，使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)與查詢，使用VC中的DataGrid控件、DataCombo控件、ADO控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)查詢，校準(zhǔn)證書、檢定證書打印，使用VC調(diào)用Excel實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄表輸出。檢定流程圖如圖8所示。
3．3 人機(jī)界面
3．3．1 溫濕傳感器檢定界面
    為了方面使用和操作，Visual C++設(shè)計(jì)了人機(jī)界面。運(yùn)行該系統(tǒng)，進(jìn)入主界面，菜單由文件、檢測(cè)、查詢、幫助組成。點(diǎn)擊檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)入溫濕傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。可以根據(jù)需要選擇不同的傳感器個(gè)數(shù)(1～8)。依據(jù)檢定要求填寫檢測(cè)環(huán)境以及溫濕傳感器信息，選擇并打開(kāi)COM
口，依次對(duì)30％，40％，55％，75％，95％從低到高然后從高到低進(jìn)行正／反程檢定，如圖9，圖10所示。

3．3．2 數(shù)據(jù)查詢
    該系統(tǒng)中的查詢界面有數(shù)據(jù)查詢和檢驗(yàn)結(jié)論查詢兩部分組成。所有的數(shù)據(jù)查詢都可以根據(jù)傳感器編號(hào)或者檢測(cè)日期進(jìn)行查詢。使用兩個(gè)“Adodc”控件分別為“DataCombo”控件和“DataGrid”控件提供數(shù)據(jù)。利用SELECT語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)查詢功能。舉例如下：

    在數(shù)據(jù)查詢界面中，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表格導(dǎo)出至Excel中以及數(shù)據(jù)的打印。

4 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)適用于溫濕度傳感器的批量校準(zhǔn)，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存貯、證書打印于一體，與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)自動(dòng)氣象站采集器校準(zhǔn)溫濕度傳感器相比，具有存貯數(shù)據(jù)方便、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)刷新、證書自動(dòng)打印等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了檢定人員的工作量，節(jié)約了人力資源。