可组网电子温湿度测量仪的设计与实现_图文

1、文章编号:167l一4598(200703一0413一03中图分类号:TP216文献标识码:B可组网电子0日0目|m|躅:-度测量仪的设计与实现李健,张移山,华庆祥(北京航空工程技术研究中心,北京100076摘要:针对环境条件要求较高的校准、测试实验室和粮库、温室等多现场多测量点的温湿度测量,介绍了以计算机技术为核心,以P1c16系列单片机、Dsl8820温度传感器和HIH一3602c湿度传感器组成的温湿度测量仪系统设计方案;它能同时测量多路温湿度数据并把检测到的数据进行显示、报警、自动记录和保存下来,还可以通过Rs485、局域网和管理软件系统,将管理计算机和多个测量仪系统灵活组成分布式温湿度

2、监控、测量网络,实现了多现场多测量点的温湿度统一监视和测量;测温范围和精度:一50至+125,士o.1;测湿范围和精度:一40+85,±1%。关键诃:单片机;测量仪;温度;湿度;网络Design and DeVelopment Of Electronic Measuring Instrumentfor Temperature and Humidity in Network StyleLi Jian,Zhang Yishan,Hua Qingxiang(Be幻ing Research center of Aeronautical Engineering,Beijng100076,Chi

3、naAbstmct:Based on PICl6一series singlechip microcomputers,DSl8820intelligent temperature sensor and HIH一3602C humidity sensor,the instrument was designed and deveioped by using the technique of singlechip microcomputer.automatic elligent sensors and network.It can independently or linke

4、d with computer measure muItiple temperature and humidity data on different sites.It can display realtime data and save recorded data,measuring raIlge from一50to+125and precision±O.1for temperature;from一40to+85and precision士1%for humidity.Key words:singlechip microcomputer;measuring instrument;t

5、emperature;humidity;Network0引言可组网电子温湿度测量仪系统是将现代微机技术、自动测试技术、传感技术集于一体的高精确度、高度自动化、具有网络功能、操作方便的温湿度测量仪,主要用于校准实验室、测试实验室以及其他环境条件要求较高的实验室内多个测量点温湿度的监视和测量、打印记录及长期数据存储,也适合野外实验场地、粮库、温室、实验系统及车载校准、测试、检测等系统的温度、湿度的监测和记录1。通常这种仪器内部都设置有微处理器芯片、存储器芯片、数字温湿度传感器和电子控制线路,可以同时测量多路温湿度数据。为了满足愈来愈多的网络化应用需求,国外已开发出网络式电子温湿度测量仪,但由于成本

6、高、价格昂贵,不利于普及应用。针对这种情况,我们设计了一种可组网电子温湿度测量仪系统,它以PIc系列单片机为核心,配以数字温湿度传感器,不但能同时测量多路温湿度数据并把检测到的数据自动记录和保存下来,而且设计了管理软件系统,能够通过局域网将管理计算机和多个测量仪系统灵活组成分布式温湿度监控、测量网络,实现对多现场多点温湿度的监控和测量,统一管理、分析和处理测量数据。以下分别介绍各部分功能和设计原理。收稿日期:2006一06一03;修回日期:2006一07一01。作者简介:李健(1959一,男,河北保定人,高级工程师,博士,主要从事计算机测量与控制、计算机网络、软件与应用等方向的研究。1系统原理

7、与总体结构设计该电子温湿度测量仪系统总体结构如图1所示,其中,主控机为PC计算机,LED为显示器,I/0接口采用RS一485接口,PIcl6c54为测温控制单片机,Dsl8820为高分辨智能温度传感器,PICl6F874为测湿控制机,HIH一3602C为电压输出式集成湿度传感器。I笪墨盐基壑1.l壁苎翌I皇童堡!堡.j萤堕堑萤匿-.(二圃一7图1温湿度测量仪系统总体结构系统在组网方式上,采用网络交换机组成三级分布式网络。上层由一台管理计算机作为工作站,管理多台电子温湿度测量仪系统。中间层以一台PC计算机组成测量仪系统,进行测量控制和数据处理,可同时测量四路温度、四路湿度数据,通过PC计算机进行

8、日期、时间、测量参数设置,可以显示、记录、报警、打印、并与管理计算机进行通讯。下层分为两部分:测温部分使用的是PICl6C54单片机和DSl8820型高分辨力智能温度传感器,可以同时测试四路温度数据;测湿部分使用的是PIcl6F874单片机和HIH一3602c型集成湿度传感器,中.华测控网CnlnamCa.COm万方数据414计算机测量与控制第15卷由LED显示测量结果数据,温度和湿度数字信号经过RS485接口送给Pc计算机做汇总和进一步处理、打印;可以设置温湿度上下限报警值,当测量数据达到报警值时,由PC计算机控制进行声音报警。经网络集线器可以将数据送管理计算机,由管理软件和交换机联接多台测

9、量仪系统构成网络测量系统对多现场温湿度进行测量、监控和数据处理。2温度传感器设计温度测量原理口:通常采用非接触式元件通过热辐射原理来测量温度,测温元件不需与被测介质接触,通过探头和空气介质对环境温度、湿度进行测量,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度也比较快。目前大多数温度测量系统都是用温度传感器将温度转化为电量后,经信号放大电路放大,再由A/D转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复杂,调试繁杂,精度易受元器件参数影响。在温度升高时,要达到高精确度的测量值,不但需要高精度的传感器,还必须对传感器测量得到的数据进行高精度非线性校准和补偿,因为通常传感器中采用的是

10、铂电阻,铂电阻在较高温度下呈非线性变化。传统传感器对于敏感元件的校准和补偿是通过模拟元件进行的。这样的传感器使用热敏电阻、二极管或其它模拟技术来进行温度补偿。这些方法都具有补偿准确度受元件本身非线性误差限制、补偿器件同样受温度漂移影响、激光微调和其它调整设备价格昂贵等缺点。本系统温度传感器采用的是美国DALLAs半导体公司的DSl8820型高分辨力非接触式智能温度传感器3,能输出12位二迸制数据,测温精度为士o.1,测温范围为一50+ 125。温度检测电路如图2所示。由于其输出直接为数字信号,故不需要A/D转换器。每片DSl8820包含一个唯一的64位长ROM编码,遵循单线串行通信协议,可以在

11、一根线上接多片DSl8820,进行多点温度测量。本电路中接四片DSl8820,进行四路同时测量。用户可以通过计算机设置温度报警上下限值,由PICl6c54单片机控制测量和显示测量结果,并将测量结果送计算机报警、处理和汇总显示、打印。DSl8820使用特有的温度测量技术,内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号,j,高温度系数振荡器能将被测温度转换成频率信号厂,当计数门打开时,DSl8820就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲信号,o进行计数。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定。每次测量前,先将一55所对应的基数分别置入减法计数器和温度寄存器中。在计数门关闭前,若计数器已减至零,温度寄存器

12、中就增加o.5。然后,计数器依斜率累加器的状态置入新的数值,再对时钟计数,然后减至零,温度寄存器又增加O.5。只要计数门未关闭,就重复上述过程,直至达到被测温度值。DSl8820还有斜率累加器,可对频率的非线性予以补偿.测量结果存人温度寄存器中。温度值应为9位,但因符号位扩展成高8位,故以16位补码形式读出。PICl6C54的RAo口依次接收DSl8820的温度信号, McI。R和reset开关用于复位;RAl一RA4输出位扫描信号,经过Mcl413获位驱动信号;RB口的RB2一RB7输出6位码中华测控网CnlnamCa.COm 信号到LED。五位LED中的第一位是通道号14,后4位是对应通道

13、的温度值,其中最后一位是小数。四路数据轮流显示,间隔5s。RA6一RA7用于控制RS一485通讯端口。DSl8820的控制命令有6条。对其操作时,首先要将它复位。将DQ线拉低480960肛s,再将数据线拉高1560弘s,然后DSl8820发出4060“s的低电平作为应答信号,这时主机才能对它进行其它操作。图2温度检测电路图读操作:主机将从高电平拉至低电平1“s以上,再使数据线升为高电平.产生读起始信号。从主机将数据线从高电平拉至低电平起的1560“s,主机读取数据。每个读周期最短持续时间为60肛s,周期之间必须有1肛s以上的高电平恢复期。写操作:主机将数据线从高电平拉至低电平,产生写起始信号。

14、从DQ线的下降沿开始计时,在1560肚s时间内对数据线进行检测,如数据线为高电平则写1;若为低电平,则写o,完成一个写周期。在开始写下一个写周期前,必须有1肚s 以上的高电平恢复期。每个写周期最短持续时间为60“s。3湿度传感器设计测量湿度的原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量和周围空气的湿度。常用的测量湿度的方式有电容式、电阻式、电压输出式和湿涨式。其中,电压输出式集成湿度传感器的特点是采用恒压供电,内置湿敏电容和湿度信号调理电路,能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,精度高,响应速度快,稳定性好,抗污染能力强。本系统湿度传感

15、器采用的美国Honeywell公司的电压输出式集成湿度传感器4HIH一3602C,它自带信号处理电路,体积小,性能稳定。本电路中接4片HIH一3602C,进行四路同时测量。用户可以通过计算机设置湿度报警上下限值,由PICl6F874单片机控制测量和显示测量结果,并将测量结果送计算机报警、处理和汇总打印。PICl6F874是一种高性价比的单片机,内含8路逐次逼近式10位A/D转换器,最多可对8路湿度信号进行模/数转换,现仅用其中4路。HIH一3602C属于相对湿度集成电路,产品采用多层结万 方数据第3期李健,等:可组网电子温湿度测量仪的设计与实现415构,第一层和第三层为经过加热成型的热固聚合物

16、,第二层为多孔铂层,第四层为铂层,最下面是硅衬底。热固聚合物根据环境温度的变化从外界吸收或释放水蒸气,使其电容量发生变化。这种多层、多孔结构的优点是能适应恶劣的环境,即使传感器表面粘上污垢、灰尘和油渍,也不影响测量。当环境温度为+25时,HrH一3602C的输出电压眠与相对湿度RH的关系式为U。=Ucc(O.0062RH+O.16(1式中,RH的单位是%。当电源电压U。升高时,U。也按相同的比例增加。相对湿度还与环境温度有关。令传感器的测量值为RH,实际相对湿度为RH,环境温度为T(,有公式RH一RH/(1.0546一O.00216D(2因此,当环境温度非+25时,要用式(2对测量值进行修正,

17、得到实际相对湿度。在使用时,可以将本系统的4路温度与4路湿度一一对应,设置好后由软件进行计算,从而达到对应测量点的温湿度值。湿度检测电路如图3所示。测量湿度工作过程如下:给湿度传感器加一个+5V电压,它将相对湿度变换成一定的输出电压。PICl6F874的RAoRA3口分别接收4路湿度传感器所产生的电压信号。RA4一RA6输出位扫描信号,经过Mcl413获得位驱动信号。RB口的RBoRB6输出7位码信号到LED。三位LED中的第一位是通道号14,后二位是对应通道的相对湿度百分比值。四路数据轮流显示,闻隔5s。PICl6F874还具有掉电保护功能,MCLR为掉电复位锁存端。当UDD从+5V降到+4

18、V以下时,芯片就进入复位状态。一旦电源电压又恢复正常,必须经过72ms的延迟时间才脱离复位状态。在掉电期间RAM中的数据保持不变,不会丢失。图3湿度检测电路图4组网功能设计近年来,在较大范围内同时测量多点温湿度并实时处理数据的需求逐渐增多,网络技术也日益成熟,使利用局域网实现大范围多点同时测量并实时处理和保存数据成为可能,也出现了一些应用5“。因此,在本电子温湿度测量仪的设计上,尝试应用计算机和网络技术实现组网功能。本系统中,由管理计算机经局域网管理多个测量仪系统,每个测量仪系统的计算机经RS一485总线管理两个PIC单片机,每个单片机分别同时测量四路温度、四路湿度数据,组成三级分布式温湿度监

19、控、测量网络。检测到的数据可以由单片机自动记录并保存下来,经过RS一485通讯端口传递计算机,进而送至管理计算机,实现对较大范围内多点现场温度、相对湿度的统一管理、监控和测量。由于局域网技术和多路温湿度测量技术已在前面介绍过,在此仅介绍单片机与测量仪系统的计算机之间的通讯技术。RS一485是使用广泛的双向、平衡传输线标准,具有传输距离远、速率快等优点。在多系统互联时,可以组建可靠性高、成本低、分布范围大的总线网络。接口芯片采用差分总线收发器SN75LBCl84P,使用半双工通信方式,与单片机接口电路见图2和图3。这种芯片的传输控制比较简单,RE为接收控制端,DE为发送控制端。用PIC单片机的一

20、个输出位与两个控制端相连,平时置为低,使控制器端口处于侦听状态,当要发送数据时使其为高。控制计算机(主机与PIc单片机实行严格的广播式的主从通信方式。单片机不主动发送命令或数据,一切都由主机控制。每个单片机都有一个地址,主机通过RS一485网络广播自己所要求的单片机地址,所有单片机都收听广播,记下这个地址。单片机把该地址与自己的地址进行比较,地址相同的单片机被选中,其余的皆为未选中,暂时从网络上隔离。网络上只有主机与被选中的单片机,按照主从双机通信方式进行通信。5结束语本温湿度测量仪系统以计算机和网络技术为核心,配之以单片机、智能数字传感器及放大电路,设计实现了网络化、高精度、多路温湿度测量,

21、满足了特殊场地、实验室条件下多个测量点使用的要求。其中,用软件实现温湿度测量中的自动校准和非线性数字补偿,很好地解决了普通模拟系统产生零点漂移和分辨率低的问题。该测量仪同时具有自动报警、长期记录测量数据、自动打印输出、多路检测、与计算机联接传输数据和组网应用等功能,极大地提高了使用的方便程度。这对于提高电子温湿度测量仪的研制技术水平将产生积极作用,对满足日益增长的网络化温湿度测量需求和普及应用具有重要意义。参考文献:1武锋.PIc系列单片机的开发应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,1998.2沙占友.集成化智能传感器原理与应用M.北京:电子工业出版社,2004.3Datasheet fo

22、r Dsl8820EB/0L..MAXIM,2002.4Datasheet for HIH一3602CEB/OL.http:/www.honey.Honeywell,2002.5郑明惠.温室环境数字化监测仪表的设计与研制J.计算机测量与控制,2005,13(12:14361439.6刘建华,陈东阳,等.多点测湿系统J.电子测量技术,2005(2:5052.中.华测控网CnlnamCa.COm万方数据 可组网电子温湿度测量仪的设计与实现作者:李健, 张移山, 华庆祥, Li Jian, Zhang Yishan, Hua Qingxiang作者单位:北京

23、航空工程技术研究中心,北京,100076刊名: 计算机测量与控制英文刊名:COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL年,卷(期:2007,15(3引用次数:1次参考文献(6条1.武锋PIC系列单片机的开发应用技术 19982.沙占友集成化智能传感器原理与应用 20043.Datasheet for DS18820 20024.Datasheet for HIH-3602C 20025.郑明惠温室环境数字化监测仪表的设计与研制期刊论文-计算机测量与控制 2005(126.刘建华.陈东阳.邓小燕.万京多点测湿系统期刊论文-电子测量技术 2005(2相似文献(10条1.期刊

24、论文王瑜.WANG Yu基于C8051F020单片机的多路压力测量仪-国外电子元器件2008,16(11介绍了一种基于C8051F020单片机的多路压力测量仪.该测量仪选用电阻应变式压力传感器采集压力信号,并经放大电路处理后送入C8051F020单片机,再由C8051F020单片机内部的A/D转换器将采集到的压力信号进行模数转化,然后分别对数据进行存储和显示.该测量仪能测量6路压力信号,并且各测量点都能单独检测和设置.由于采用了C8051F020单片机,简化了硬件电路,增强了抗干扰能力,使得测量仪具有测量精度高,冲击小等特点.2.学位论文温建澎基于CPLD和AVR单片机的高精度ESR测量仪的研

25、究2007血红细胞沉降率是医疗领域广泛应用的医学检测工具,用来检测产生各种炎症的疾病。魏氏法是自1924年开始应用的传统测量方法,使用大量血液以及长达一小时的测量时间。本文在对传统血红细胞沉降率测量方法深入研究的基础上,提出新的快速血沉测量方法,并研究设计了光机电相结合的高精度血红细胞沉降率测量仪。 血红细胞沉降率测量仪的主要研究内容包括硬件和软件两大部分。硬件电路是测量系统的核心,主要包括:基于CPLD和AVR单片机的电动机控制与驱动单元、电动机速度检测单元、温度检测单元、液晶显示单元、串口通讯单元、打印机单元以及电源转换单元等;软件部分主要包括:CPLD的PWM信号产生模块、电动机转速检测

26、与控制模块、AVR单片机实现的外围电路控制模块、数据采集处理模块、LCD液晶显示模块、串口通讯以及打印等功能模块。 本文研究的血红细胞沉降率测量仪与传统血红细胞沉降率测量仪相比较,具有以下创新点: 1提出新的快速血红细胞沉降率测量方法,提高了血红细胞沉降率的测量速度; 2采用CPLD和AVR单片机相结合,实现电动机的高精度、高稳定性控制,从而提高了血红细胞沉降率的测量精度; 3在医疗设备中应用红外测量技术。 最后对设计制作的血红细胞沉降率测量仪进行了实验验证,分析了误差来源以及改进方法。实验结果表明,本文设计的ESR测量仪的测量精度高,稳定性好,达到了设计要求。3.期刊论文赵玉刚.周维芳基于A

27、T89S51单片机的光栅智能测量仪的设计-科技信息(学术版2007(32本文介绍了用AT89S51单片机和光栅传感器设计一种智能测量仪.利用光栅传感器把位移转换成电脉冲的特点,同时利用AT89S51单片机的低功耗、高性能和高集成度的优点,阐述了该测量仪的测量原理、方案实现和软件设计.主要用于与光栅尺配套进行位移测量.4.期刊论文李昊基于80C196KB单片机的温度测量仪设计-中国仪器仪表2006(10本文研究设计了一种基于MCS-80C196KB单片机的温度测量仪.该测量仪采用LM234电流源型集成温度传感器作为温度检测器件,并采用LM331V-F转换器完成A/D转换任务,采用MCS-80C1

28、96KB单片机的高速输入口HIS.0作为脉冲输入端口,并配有简单的键盘、存储和显示等电路.可以实现对温度的实时测量显示、3天内任意时段温度的存储与显示,还可以实现3天内平均温度的测量与显示.可用于实现较长时间测量、监视温度的场合.5.会议论文高薇智能型单片机转速测量仪的研究2006介绍一种采用AT89 C52作控制芯片,制作的单片机转速测量仪.目的是实现电机转速及向序的测量.本设计以AT89单片机为核心,配以传感器、输入电路、显示电路等构成性能价格比较高的转数测量仪.软件以ASM51汇编语言编写,采用模块化结构设计6.会议论文唐耀庚基于单片机的射线矿浆浓度测量仪研制2003介绍了矿浆浓度测量仪

29、的原理和方法,该测量仪由射线源、核辐射探测器、单片机和有关电路组成.射线源和核辐射探测器组成信号传感器,单片机和有关电路组成信号测量单元,分析了电路功能、测量算法和程序流程,给出了应用结果.7.期刊论文苏世栋利用单片机改进重力加速度测量仪-运城学院学报2006,24(5重力加速度通常使用重力加速度测量仪进行测量,其测量过程是通过两个光电门检测物体的下降时刻,由数字毫秒计显示物体所经历的时间,最后通过繁琐的手工计算求得,主要缺点是效率较低且不可避免粗大误差的影响.为了提高实验效率以及实验结果的准确度,我们对传统重力加速度测量仪进行了改进,主要是利用单片机对原实验的光电信号进行检测,完成较精确的计

30、时、计算、存储、显示以及数据处理等一系列工作,极大的改善了实验环境、丰富了实验内容以及提高了实验效率.由于省去了原实验中的数字毫秒计,相比之下还可进一步降低实验装置的成本.8.期刊论文张双狮基于ATmega8单片机的数字信号测量仪设计-濮阳职业技术学院学报2009,22(1本文对ATmega8单片机的结构进行了简明的介绍,并给出了基于ATmega8单片机的数字信号测量仪的硬件软件设计方法.9.学位论文游荐波基于C8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的研制2008随着改革开放的发展,社会的进步,人民生活水平逐渐提高,各类心脑血管疾病也呈高发趋势;同时,军事领域里的复杂电磁环境下战场救护及高海拔缺氧地区部队人员体征信号监测也是一个很现实的课题;解决这些问题涉及到的一个重要测量参数是肌体的血氧饱和度。传统的测量方法会产生创伤而且不能进行连续实时的测量。光电检测技术的发展可弥补这一不足,基于光电转换原理的血氧饱和度测量方法日渐得到研究人员的广泛关注。本文阐述了基于C8051F021单片机的脉搏血氧饱和度测量仪的总体设计思路、相应软硬件的设计方法及调试过程。 本课题主要完成了以下工作: 1.硬件电路设计根据脉搏血氧饱和度测量仪的测量原理,设计了以C8051F021单片机为核心的脉搏血氧饱和