户外环境检测仪.doc

基于单片机的户外环境检测仪2007年8月刊（总第96期） 张茂贵（广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）【摘要】本系统以单片机为核心，用紫外线传感器检测紫外线强度。测量范围从099999uw/cm2。另有时钟和温度显示以及光度计和湿度计功能，方便用户了解实时的户外天气情况，提醒外出人士采取特殊的防护措施。【关键词】单片机；紫外线传感器；湿度传感器；温度传感器；AD7705 【中图分类号】TP212【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2007)080043-03（一）引言目前，国内对于光度测量及紫外线测量技术已经很成熟。但主要用于天气预报、工业控制等场合，在民用市场上产品很少。为此我们设计本产品，主要功能从如下几个方面考量。紫外线测量，测量范围: 199999uw/cm2，湿度测量范围：2090%RH，精度：5%RH。光度测量范围: 199999lux,温度测量范围: -55125。 （二）测量原理紫外线分3个波段，UVA波段波长300380nm称为近紫外线；UVB波段波长200300nm称为远紫外线；UVC波段波长10200nm称为极远紫外线，由于UVB及UVC波段被大气层吸收，主要测量UVA波段。计算紫外线指数的方法为：XRHC上式中，为紫外线辐射通量（W），R为光监测器回应度（A/W），H为电路转阻放大率 （V/A），C为校正因数，X为伏特（V）。由于X与危险紫外线辐射通量成正比，且国际气象组织将每25W/m2的危险紫外线辐射通量定义为1UV-Index，由以上关系再经校正比对后可转换成紫外线指数。（三）硬件设计1.总体方案本系统以单片机为核心。整个系统由单片机、紫外线传感器、光电二极管、AD转换电路、键盘、LCD显示、时钟电路、温度计、看门狗电路等部分构成，如图2所示。由紫外线传感器检测到紫外线强度后产生电压，经AD转换到单片机，单片机经过处理后，把数据输到LCD显示，提醒这时候外出采取特殊的防护措施。图2 系统方框图2.紫外线信号电路紫外线传感器感应紫外线强度转化成电流信号，然后由差分放大电路将电流互阻抗放大为电压值，把这个电压值送入AD7705转换。图3 紫外线信号电路3.AD7705与单片机接口电路AD7705芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线，AD7705在数据采集系统中的应用。采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生C 低电平信号，启动A/D转换器工作，AD7705经100us 后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时。立即执行输入指令，以产生CS， 低电平信号到AD7705相应引脚，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由微处理器有序的执行若干指令完成。图4 AD转换电路4.LCD显示电路为了便于显示一些其他参数，本系统利用型号MGL-12864的LCD显示器来显示。它是一片12864点阵的图形式液晶显示器，可以显示汉字、图形，充分满足本系统的设计要求。电路如图5所示。图5 LCD显示5.看门狗电路当单片机程序跳飞（死机）时，系统应立即复位。看门狗电路可以实现自动复位。其电路由一个单稳电路CD4098实现，如图6所示。将CD4098设计成脉冲漏失检出电路，按再触发方式连接。程序执行时，每隔一定时间间隔t，设置命令：CLR P3.0SETB P3.0图6 看门狗电路时间间隔要根据程序设定，且应大于程序最长循环的周期，由P1.2脚输出脉冲脉冲频率为f，适当调节R1、C1参数，即调节单稳输出脉宽tw，使1/ftw1/f，故输出为0，单片机复位端为低电平，单片机正常工作，但当系统受到干扰程序乱跳时，则不能保证P3.0连续输出脉冲，即有脉冲漏失。单稳态触发器输出一正脉冲，强行使系统复位。6.时钟控制电路时钟控制电路可以提供检测紫外线时的时间。同时，时钟和液晶显示器结合组成了一个日历时钟。时钟IC 采用DS1302具有年、月、日、时、分、秒、星期计时，内含30字节的RAM，可供断电时保存数据用，充分满足本设计的要求。如图7所示。 图7时钟控制电路7.光度计电路光度传感器接收光的强度信号经过以OP07芯片转化为电压后，送去A/D转换，经单机处理，实现光的强度测量，方便用户了解户外实时情况。图8 光度计电路8.温度计电路本系统温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55125度,分辨率最大可达0.0625度。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 图9 温度计（四）系统软件设计1.软件功能（1）采集到紫外线强度、光强度和湿度信号后转换为电流信号，然后由低温飘移放大电路将电流互阻抗放大为电压值，把这两个电压值送入A/D转换送到单片机。（2）单片机接收到这两个信号时，进行计算，再进行处里后输出LCD显示。（3）调用时钟和温度程序，然后送LCD显示。这样方便使用者记录某日某时的紫外线强度和当时的温度。（4）为了增强系统的抗干扰性，在硬件看门狗的基础上，同时还增加了软件陷阱处理，防止软件的“跑飞”。2.系统软件流程图系统主流程图如图10所示。当系统启动时先显示时钟和温度，再启动A/D转换，单片机进行这信号识别紫外线强度在那级范围内，单片机进行计算紫外线指数的方法为：XRHC数据输出至LCD显示。这时用户须要播放语音就按下播放键，此时语音芯片开始启动播放相应的语音，同时须要校正时间，也可以按下修改键进行修改。（五）抗干扰措施1.当单片机程序跳飞（死机）时，系统应立即复位。本系统采用看门狗电路可以实现自动复位。2.为了防止干扰信号从电源端耦合过来，或者本系统的电路通过电源互相干扰。故在每一个集成电路的电源端与地之间加一0.1F的滤波电容。图10 系统主流程图3.为了防止数字部分电路干扰模拟部分，本系统的数字地与模拟地分开接，最后才接到一起。（六）小结随着人口的增加、工业的发展、温室效应、臭氧空洞等一系列的环境问题不断涌现，紫外线的强弱也成为天气好坏的指标之一。装置采用了灵敏度高的紫外线传感器，LCD用于显示紫外线的强度和时间，还可以测量光照强度，当紫外线强度过强时就会提醒人们。使装置更加人性化。本系统装置显示清晰明了，测量范围广，精度高，操作简单，反应快，灵敏度高，携带方便。在这个爱美的时代，很适合一些爱美人士外出、旅行时使用，这样可以随时随地知道紫外线的强度，做好必要的防护措施。装置电路简单，性能稳定，受干扰少，误报率低，使用范围宽广。在成本上充分利用串行芯片普及性的优势，大大降低成本，同时简化了设计，提高了可靠性，本产品已经面向市场推广应用。【参考文献】1 8051单片机实践与应用M.北京： 清华大学出版社，2004,3.2 何希