單片機構(gòu)成的環(huán)境溫濕度實時測控裝置設計
關(guān)鍵詞：PIC16C73；測控；通信；溫濕度
環(huán)境條件中的溫濕度指標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，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)任意設定溫濕度值，其附加的通信接口可方便地實現(xiàn)與計算機的實時通信，而且便于功能的擴展，可保證溫度、濕度滿足設計指標。此外，該裝置還可自動控制多個設備的多點時間控制電路，因而具有更廣泛的應用前景。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計指標；
●具有多點定時設備控制電路，便于功能擴展；
●設有語音提示功能，可方便地實現(xiàn)儀器操作和工作管理提示；
●配有通信接口，可方便地與計算機進行通信；
●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(gòu)成。ＰＩＣ１６Ｃ７３是由美國Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的８位單片微機，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、復位、看門狗定時器等。這５路模擬量輸入通道共同復用一個采樣／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)硬件主要包括本機地址設定電路、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的復位脈沖，以使ＤＳ１８２０復位后將向ＰＩＣ１６Ｃ７３發(fā)送一個回應脈沖，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并進行溫度轉(zhuǎn)換。此時ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ１腳應輸出一個保持２ｓ以上的高電平信號來使ＳＫ２１４導通，從而提供ＤＳ１８２０在總線供電下進行溫度轉(zhuǎn)換時所需的１ｍＡ電流。當溫度轉(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／％。當濕度為０％～１００％ＲＨ時，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(diào)整時，可先設定濕度為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熱儀器設備和定時語音提醒等，該功能的實現(xiàn)由單片機來完成。時鐘頻率選用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，看門狗每１８ｍｓ復位一次可確保時鐘的準確及語音電路的播放操作。
控制驅(qū)動電路用于保護儀器。各個電磁閥的導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導通，接通穩(wěn)壓電源；６?０２以后每間隔２分鐘接通一個相應設備（應先啟動感性及大功率設備）。這樣，當８：００上班后即可保證有些需要預熱１～２小時的儀器設備進入最佳工作狀態(tài)，從而提高工作效率，保證計量檢定的質(zhì)量。電器驅(qū)動電路控制的設備主要包括空調(diào)機、風機、吸濕機、加濕機等，可分別采用過零型固態(tài)繼電器來控制工作。為了便于擴展該裝置的功能，系統(tǒng)應留有足夠的擴展空間。因此，設計時可用ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ３口作控制口，另外可外擴兩片ＰＣＦ８５７４以作備用。該系統(tǒng)最多可控制１６個設備以滿足不同需要。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。當單片機檢測到溫濕度信號超過設定值時，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)繼電器啟動相應的電器工作，從而實現(xiàn)對相應設備的控制。設計時應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)的Ｈ２２０Ｄ１５。
圖2
１．４ 語音電路
語音電路用于完成多種語音提示。可選用臺灣Ｗｉｎｂａｎｄ公司生產(chǎn)的語音處理芯片Ｗ５１３０００。該器件除了支持按鍵直接控制話筒和喇叭的隨錄隨放功能和快速搜索放音模式外，還具有完善的ＣＰＵ微處理器控制模式，并可用單片機控制它的所有功能。其主要提供的語音信息為：
（１）加濕器、吸濕器水箱的水滿和缺水報警。這部分語音信號的觸發(fā)由安裝在水槽內(nèi)的導電電極片完成；
（２）中午休息和下班信息的提示；
（３）預約工作的提示，如可提示預先設置的工作計劃安排等信息。
語音的錄制等操作可由鍵盤和ＰＩＣ１６Ｃ７３完成。
１．５ 通信和鍵盤顯示電路
為了更好地實現(xiàn)與上位計算機之間的通信和系統(tǒng)功能的擴展，該裝置設有ＲＳ－２３２接口電路，通信速率可由用戶在１２００／２４００／４８００／９６００比特等４種中通過鍵盤按需選擇。
該系統(tǒng)的鍵盤設有１６個按鍵：０～９為１０個數(shù)字鍵；Ａ為設定功能選擇鍵，Ｂ為設定完成確定鍵，Ｃ為顯示選擇鍵，Ｄ～Ｆ鍵則用于完成語音處理和通信等功能。對于溫濕度的顯示，則可采用４位ＬＥＤ動態(tài)分時完成。
２ 軟件設計
該系統(tǒng)軟件可采用模塊化設計方法，用匯編語言來實現(xiàn)。包括主程序、中斷服務程序、溫濕度檢測程序、語音處理程序、定時驅(qū)動程序、顯示子程序等。主程序以循環(huán)方式工作，主要完成中斷初始化、鍵盤掃描、溫濕度檢測、語音處理及顯示子程序的循環(huán)調(diào)用等功能。
２．１ 主程序設計
主程序是控制和管理的核心，主要完成在系統(tǒng)上電后進行定時器和中斷處理操作的初始化。初始化主要完成對溫濕度的設定和檢查除定時器Ｔ０外的所有中斷禁止，同時斷開各電器的電源。初始化完成后，系統(tǒng)將開始正常運行，并進行溫濕度檢測、鍵盤掃描及定時處理等操作，其軟件流程如圖２所示。
２．２ 溫濕度處理子程序
溫度傳感器選用ＤＳ１８２０，其軟件的編寫相對簡單，ＤＳ１８２０輸入單片機的信號為９位數(shù)字信號，它不需要進行轉(zhuǎn)換。這里應注意的是，軟件控制單片機向ＤＳ１８２０發(fā)送的復位脈沖一定要大于１ｍｓ，否則軟件將無法正常運行。這主要與ＤＳ１８２０的寫時間有關(guān)，在用軟件進行寫０之后和寫１之前，必須有８００μｓ的低脈沖，寫１后再寫１也是如此，否則將出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫錯誤。
由于ＰＩＣ１６Ｃ７３內(nèi)含Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，因此，參考電壓可由軟件設置為器件的正電源電壓，同時由ＲＡ０引腳接入的模擬電壓可經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。系統(tǒng)中的Ａ／Ｄ模塊有３個寄存器分別為：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ＡＤＲＥＳ）、Ａ／Ｄ控制寄存器０（ＡＤＣＯＮ０）和Ａ／Ｄ控制寄存器１（ＡＤＣＯＮ１）。其中Ａ／Ｄ控制寄存器０用于控制Ａ／Ｄ模塊的工作，寄存器的上電復位值是００Ｈ，未用位在執(zhí)行讀操作時為０，不能執(zhí)行寫操作，其它位均可讀寫。Ａ／Ｄ控制寄存器１則只用了０～２位，這３位是Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換口配置位，通過這些位可將模擬口配置成不同的工作方式，包括模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出以及參考電壓。
以ＲＡ０通道為例，其Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序如下：
ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０ ；選擇頁面１
ＣＬＲＦ ＡＤＣＯＮ１ ；配置Ａ／Ｄ輸入
ＢＳＦ ＰＩＥ１，ＡＤＩＥ ；使能Ａ／Ｄ中斷
ＢＣＦ ＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０ ；選擇頁面０
ＭＯＶＬＷ ０ＸＣ１ ；時鐘、Ａ／Ｄ接通
ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ０ ；
ＢＣＦ ＰＩＲ１，ＡＤＩＦ ；清除Ａ／Ｄ中斷標志
ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ，ＰＥＩＥ ；使能外圍功能
ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ，ＧＩＥ ；使能所有中斷
３ 結(jié)束語
本裝置對需要溫濕度實時控制的工作場合是非常必要的，并且具有較大的應用價值。由于采用了一線數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８２０來實現(xiàn)多點溫度采樣，所以可實現(xiàn)多點溫度采樣的集中控制。配置的ＲＳ－２３２接口可使多個這樣的裝置方便地與上位機（計算機）互聯(lián)，以實現(xiàn)溫濕度的測控。該裝置現(xiàn)已成功地應用于程控機房中，效果較好。
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