多点温度、湿度检测系统的设计传感器作业

1多点温度、湿度检测系统的设计摘要本课题设计的是多点温度、湿度检测系统，可用于多种需要采集温湿度数据的场合。其设计亮点之一是显示结果数字化，与传统温、湿度测量计比较，测量结果清晰明了，不需人为的观察刻度值来计算温、湿度值，减少了人为误差。另一点是对温、湿度多点的测量，可以在一定的空间中放置多个温、湿度测量系统，进行多点温、湿度检测，即节省了资源又增大了测量范围。本设计主要是以 AVR 系列的 ATmega128 做主控芯片，同时配合温度传感器 18B20和湿度传感器 DHT11，以及相关电路组成的检测系统，此系统可采集环境中的温度和湿度信号，采集的信号通过单片机进行处理，最后通过数码管显示测量结果。本设计选用的温、湿度传感器为数字传感器 18B20、DHT11，其与模拟传感器相比具有如下优点：精度、分辨率更高，抗干扰性能更强，稳定性更高，便于处理和存储，易于实现多路检测，减小读数误差，能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出。关键词：ATmega128；18B20；DHT11；单总线协议；74HC5950 引言随着电子科技的迅速发展，对仓库、工厂、博物馆等等地方温湿度监测系统的要求不断增高。防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标，它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性，为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作，但通常人们所使用的温湿度检测系统通常是精度为 1或是 0.1的水银、煤油或酒精温度计、湿度表、湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这些温湿度检测的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且它们的比热容还比较大，达到热平衡所需时间长，使用不方便，所以传统方法费时费力、效率低、误差大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便最好是数字化多点温度、湿度检测系统的设计显示的温湿度测量仪。有些地方，如博物馆，一些文物必须保存在适合的温度湿度范围内，以免文物长时间接触空气中的水分而造成文物损坏，而文物保存在适合的温度湿度范围内，其代价又太大，有时难以承受。所以，无论如何，都有必要实时监控空气中的温度湿度，必然需要一种价格低廉，使用方便的测量仪器来监控温度和湿度。本设计从以上陈述的问题出发，设计实现了多点温度、湿度实时监测系统，主要是以 AVR 系列的 ATmega128 做主控芯片，同时配合温度传感器 18B20 和湿度传感器DHT11，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接受所测环境的温度和湿度信号，得到的测量信号经电路转换为电信号，然后通过单片机进行数据处理，最后通过数码管显示测量结果，检测人员可以通过数码管所显示数据，实时检测环境的温度和湿度情况。多点温湿度检测系统的设计主要是区别于单点而言，对环境的多个点进行测试可以更好的掌握工作环境并实现实时检测，在设计中我实现了两个点的检测，每个点的温度或湿度检测是通过开关控制的，按下相应的开关就实现对应点温度或湿度的检测。1 温度、湿度检测技术的意义与发展历程1.1 意义温度、湿度检测在人们现实生活生产中应用广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、仓库、农业大棚等众多的应用场所对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度数据进行实时检测和控制是一个必须解决的问题。1.2 发展历程最早的也是最简单的实现对温度、湿度的检测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得检测结果失去其原有的意义。该方式还有一个弊端其应用场所有很大的局限性，工作人员不可能直接测量地下电缆的表面温度，去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温湿度数据的工作人员还要承担一定的风险。后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度与湿度传感器代替原始的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的检测系统，并以接口芯片将结果显示在LED 数码显示管上，单片机可直接控制打印监测数据。这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。但其中所采用的温度、湿度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过 3A/D 转换芯片才能被单片机接收。每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。近年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据检测数字化、网络化的实现成为可能。其中美国达拉斯半导体公司推出了 1-Wire（单总线）接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。该公司所提供的适用于单总线微网技术的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。2 系统总体设计2.1 系统实现的功能此系统实现了对温湿度的实时采集，测量多个点的温度和湿度，根据测量空间或设备的实际需要由多路温度、湿度传感器对温湿度进行测量，多路温湿度的测量是通过开关控制的，只有按下相应的开关传感器才开始采集数据，数据通过单片机进行处理，最后通过数码管显示。 2.2 系统组成模块系统组成模块如下图：多点温度、湿度检测系统的设计多点温度、湿度检测系统电源模块湿度传感器DHT11 模块数码管显示模块开关按键模块主控芯片ATmega128温度传感器18B20 模块图 13 硬件设计3.1 单片机Atmega128 特性介绍：ATmega 128 是 ATMEL 公司开发的 AVR 系列单片机中功能最强的一种单片机，它是一种基于 AVR 增强性能、RISC 结构的、低功耗的、CMOS 技术的 8 位微控制器。AVR 单片机内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器，所有的寄存器直接与算术逻辑单元相连接，一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，这使得它的代码处理能力比常规的微控制器快 10 多倍。ATmegal28 使用哈佛结构，程序存储器和数据存储器分别保留在不同的空间，数据吞吐率可高达 1MIPS/MHz。在此设计中主要用到的是 mega128 的 I/O 口和 SPI53.2 温度传感器 18B203.2.1 18B20 简介美国 DALLAS 公司生产的 18B20 数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现 9 位的温度读数。并且多个 18B20 可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个 18B2O 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。与其它温度传感器相比 18B20 具有以下特性: 独特的单线接口方式，18B2O 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 18B20 的双向通讯； 18B20 支持多点组网功能，多个 1820 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温； 18B20 在使用中不需要任何外围元件； 测温范围：-55 +125 ，在-10+85范围内精度为0.5，分辨率 0.0625。等效的华氏温度范围是-67F+257F； 通过编程可实现 912 位的数字读数方式。温度转换成 12 位数字信号所需时间最长为 750ms，而在 9 位分辩模式工作时仅需 93.75ms； 用户可自设定非易失性的报警上下限值； 告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的 18B20； 电源极性接反时,18B20 不会因发热而烧毁，但不能正常工作。18B20 采用 3 脚 TO-92 封装或 8 脚 SO 封装，管脚排列如图二所示：多点温度、湿度检测系统的设计图 2 18B20 管脚图引脚说明如下：NC:空引脚，不连接外部信号。VDD:接电源引脚，电源供电 3.0-5.5V。GND:接地。DQ:数据的输入和输出引脚。DQ 引脚的 I/O 为数据输入/输出端（即单总线） ，该引脚为漏极开路输出，常态下成高电平 14。3.2.2 时序(1)初始化18B20 每一次通信之前必须进行复位，复位时间、等待时间、回应时间应严格按时序编写。7图 3 复位、应答关系示意图(2)写时间隙：写时间隙分为写“0”和写“1” ，时序如图七所示。在写数据时间隙的前 15uS 总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在1560uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1” ，如果控制器将总线拉低则表示写“0” 。每一位的发送都应该有一个至少 15uS 的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在 45uS 内完成。整个位的发送时间应该保持在 60120uS，否则不能保证通信的正常。图 4 写时序(3)读时间隙： 读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的15us中18B20会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。（注意：如图所示，必须在读间隙开始的15uS内读取数据位才可以保证通信的正确。） 在通信时是以8位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即A7到A0.字节的读多点温度、湿度检测系统的设计写顺序也是自上而下的。图5 读时序3.2.3 温度检测电路18B20 的供电方式有两种，一种是寄生供电，而另一种是外部电源供电方式，此设计采用的是外部电源供电方式。这种方法的优点是在 DQ 线上不要求强的上拉 7，总线上主机不需要连接其它的外围器件便在温度变换期间使总线保持高电平，这样也允许在变换期间其它数据在单总线上传送。此外，在单总线上可以并联多个 18B20，而且如果它们全部采用外部电源工作方式，那么通过发出相应的命令便可以同时完成温度变换 9。图 6 温度检测电路如图 9 所示：在单片机的 PF3 口挂接了 3 个 18B20，可以实现对三个点的检测，此设计实现了两个点的测量，多余的一个可作为备用。3.3 湿度传感器 DHT113.3.1 DHT11 简介DHT11是广州奥松有限公司生产的一款湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。通过单9片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。性能指标和特性如下： 工作电压范围：3.5V-5.5V 工作电流 ：平均0.5mA 湿度测量范围：2090RH 温度测量范围：050 湿度分辨率 ：1RH 8位 温度分辨率 ：1 8位 采样周期 ：1S 单总线结构 与TTL兼容（5V） 管脚排列如下：图7 DHT11管脚图引脚说明：VCC:电源DOUNT：输出NC：空脚GND：地3.3.2 时序DHT11传感器是通过奥松电子有限公司开发的单总线协议和上位机（控制器）进行数据通信。DHT11传感器需要严格的读写协议来确保数据的完整性。整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手响应信号，读“0”，和读“1”四个步骤。多点温度、湿度检测系统的设计所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由DHT11产生。 通过单总线访问DHT11顺序归纳如下： 主机发开始信号 主机等待接收DHT11响应信号 主机连续接收40Bit的数据和校验和 数据处理 (1)主机复位信号和DHT11响应信号图8 DHT11复位时序图用户主机发送一次开始信号（低电平）DHT11从低速模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束（拉高）后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。注意：总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信