單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)

環(huán)境條件中的溫濕度指標(biāo)是許多工作場(chǎng)合的重要參數(shù)，不論是倉(cāng)庫(kù)管理、圖書(shū)保存還是工業(yè)測(cè)量與計(jì)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(biāo)，針對(duì)這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫濕度控制器顯得非常重要。本文介紹的溫濕度實(shí)時(shí)控制裝置可在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ（相對(duì)濕度）的范圍內(nèi)任意設(shè)定溫濕度值，其附加的通信接口可方便地實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信，而且便于功能的擴(kuò)展，可保證溫度、濕度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。此外，該裝置還可自動(dòng)控制多個(gè)設(shè)備的多點(diǎn)時(shí)間控制電路，因而具有更廣泛的應(yīng)用前景。該裝置可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

●在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ間可任意設(shè)定溫濕度控制點(diǎn)；

●可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度的變化情況，并記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)；

●對(duì)環(huán)境溫濕度的控制可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；

●具有多點(diǎn)定時(shí)設(shè)備控制電路，便于功能擴(kuò)展；

●設(shè)有語(yǔ)音提示功能，可方便地實(shí)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(jì)算機(jī)進(jìn)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。

１　硬件設(shè)計(jì)

該裝置的硬件框圖如圖１所示。它主要由單片機(jī)ＰＩＣ１６Ｃ７３及外部電路構(gòu)成。ＰＩＣ１６Ｃ７３是由美國(guó)Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的８位單片微機(jī)，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(jìn)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(diǎn)使它較之于別的８位單片機(jī)節(jié)省了１／２的程序空間，并具有４１的速度優(yōu)勢(shì)。ＰＩＣ１６Ｃ７３在芯片內(nèi)集成了一個(gè)８位算術(shù)邏輯單元和工作寄存器、４ｋ程序存儲(chǔ)器、１９２個(gè)數(shù)據(jù)寄存器、２２個(gè)Ｉ／Ｏ口、３個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器及２個(gè)捕捉／ 比較／ＰＷＭ模塊和２個(gè)串行口，其中Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器具有５路模擬量輸入端，同時(shí)還具有時(shí)鐘、復(fù)位、看門狗定時(shí)器等。這５路模擬量輸入通道共同復(fù)用一個(gè)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(dòng)電路，因而可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制。該系統(tǒng)硬件主要包括本機(jī)地址設(shè)定電路、采樣電路、鍵盤顯示電路、看門狗電路、電器驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)間設(shè)置及定時(shí)驅(qū)動(dòng)電路、ＲＳ－２３２通信等電路。下面以計(jì)量實(shí)驗(yàn)室溫濕度的控制為例，對(duì)各主要電路加以介紹。

１．１ 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)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(cè)器件，該器件只有３個(gè)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(jìn)行通信，使用一根Ｉ／Ｏ線通信時(shí)，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(cè)溫度范圍為－５５～＋１２５℃；精度為０．５℃；用９ｂｉｔ數(shù)字量來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的檢測(cè)，之所以用三塊，是為了更好地保持溫度的恒定。使用時(shí)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(shí)，先由ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳發(fā)送一個(gè)１ｍｓ的復(fù)位脈沖，以使ＤＳ１８２０復(fù)位后將向ＰＩＣ１６Ｃ７３發(fā)送一個(gè)回應(yīng)脈沖，ＰＩＣ１６Ｃ７３接到回應(yīng)脈沖后將發(fā)送讀ＤＳ１８２０序列號(hào)的讀ＲＯＭ命令，以分別讀取三個(gè)ＤＳ１８２０的序列號(hào)（每一塊ＤＳ１８２０有唯一的序列號(hào)）；然后，ＰＩＣ１６Ｃ７３再發(fā)出定位命令以選擇在線的ＤＳ１８２０并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。此時(shí)ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ１腳應(yīng)輸出一個(gè)保持２ｓ以上的高電平信號(hào)來(lái)使ＳＫ２１４導(dǎo)通，從而提供ＤＳ１８２０在總線供電下進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)所需的１ｍＡ電流。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完成后，ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２腳會(huì)發(fā)送ＤＳ１８２０的存儲(chǔ)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(cè)電路

濕度信號(hào)的獲取采用電容式濕敏傳感器作為濕度檢測(cè)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(hào)，本例中采用ＥＬ７５５６來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。ＥＬ７５５６由積分電路、基準(zhǔn)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(hào)并從５腳送至８腳。調(diào)節(jié)Ｒ２可對(duì)該脈沖信號(hào)頻率進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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(shí)的電容值為５００ｐＦ，電容相對(duì)變化率為＋１．７ｐＦ／％。當(dāng)濕度為０％～１００％ＲＨ時(shí)，９腳輸出的相應(yīng)信號(hào)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(shí)，可先設(shè)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(shí)及控制驅(qū)動(dòng)電路

定時(shí)主要用于提前預(yù)熱儀器設(shè)備和定時(shí)語(yǔ)音提醒等，該功能的實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)來(lái)完成。時(shí)鐘頻率選用３２．７６８ｋＨｚ，該頻率可使單片機(jī)工作在最小功耗狀態(tài)并可簡(jiǎn)化分頻、定時(shí)程序的編寫(xiě)?？蛇x用看門狗電路來(lái)作為定時(shí)基準(zhǔn)，看門狗每１８ｍｓ復(fù)位一次可確保時(shí)鐘的準(zhǔn)確及語(yǔ)音電路的播放操作。

控制驅(qū)動(dòng)電路用于保護(hù)儀器。各個(gè)電磁閥的導(dǎo)通要有一定的時(shí)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(dǎo)通，接通穩(wěn)壓電源；６０２以后每間隔２分鐘接通一個(gè)相應(yīng)設(shè)備（應(yīng)先啟動(dòng)感性及大功率設(shè)備）。這樣，當(dāng)８：００上班后即可保證有些需要預(yù)熱１～２小時(shí)的儀器設(shè)備進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，從而提高工作效率，保證計(jì)量檢定的質(zhì)量。電器驅(qū)動(dòng)電路控制的設(shè)備主要包括空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)、吸濕機(jī)、加濕機(jī)等，可分別采用過(guò)零型固態(tài)繼電器來(lái)控制工作。為了便于擴(kuò)展該裝置的功能，系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的擴(kuò)展空間。因此，設(shè)計(jì)時(shí)可用ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ３口作控制口，另外可外擴(kuò)兩片ＰＣＦ８５７４以作備用。該系統(tǒng)最多可控制１６個(gè)設(shè)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(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到溫濕度信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，將從ＲＡ３口發(fā)出控制信號(hào)，并通過(guò)光耦產(chǎn)生大于５ｍＡ的觸發(fā)電流使固態(tài)繼電器啟動(dòng)相應(yīng)的電器工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的控制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意各個(gè)電器不要同時(shí)啟動(dòng)以免沖擊電網(wǎng)，這部分工作可由軟件延時(shí)完成。固態(tài)繼電器可選擇國(guó)產(chǎn)的Ｈ２２０Ｄ１５。

１．４ 語(yǔ)音電路

語(yǔ)音電路用于完成多種語(yǔ)音提示?？蛇x用臺(tái)灣Ｗｉｎｂａｎｄ公司生產(chǎn)的語(yǔ)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(jī)控制它的所有功能。其主要提供的語(yǔ)音信息為：

（１）加濕器、吸濕器水箱的水滿和缺水報(bào)警。這部分語(yǔ)音信號(hào)的觸發(fā)由安裝在水槽內(nèi)的導(dǎo)電電極片完成；

（２）中午休息和下班信息的提示；

（３）預(yù)約工作的提示，如可提示預(yù)先設(shè)置的工作計(jì)劃安排等信息。

語(yǔ)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(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)之間的通信和系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，該裝置設(shè)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(guò)鍵盤按需選擇。

該系統(tǒng)的鍵盤設(shè)有１６個(gè)按鍵：０～９為１０個(gè)數(shù)字鍵；Ａ為設(shè)定功能選擇鍵，Ｂ為設(shè)定完成確定鍵，Ｃ為顯示選擇鍵，Ｄ～Ｆ鍵則用于完成語(yǔ)音處理和通信等功能。對(duì)于溫濕度的顯示，則可采用４位ＬＥＤ動(dòng)態(tài)分時(shí)完成。

２　軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件可采用模塊化設(shè)計(jì)方法，用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。包括主程序、中斷服務(wù)程序、溫濕度檢測(cè)程序、語(yǔ)音處理程序、定時(shí)驅(qū)動(dòng)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(cè)、語(yǔ)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(shè)計(jì)

主程序是控制和管理的核心，主要完成在系統(tǒng)上電后進(jìn)行定時(shí)器和中斷處理操作的初始化。初始化主要完成對(duì)溫濕度的設(shè)定和檢查除定時(shí)器Ｔ０外的所有中斷禁止，同時(shí)斷開(kāi)各電器的電源。初始化完成后，系統(tǒng)將開(kāi)始正常運(yùn)行，并進(jìn)行溫濕度檢測(cè)、鍵盤掃描及定時(shí)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(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單，ＤＳ１８２０輸入單片機(jī)的信號(hào)為９位數(shù)字信號(hào)，它不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里應(yīng)注意的是，軟件控制單片機(jī)向ＤＳ１８２０發(fā)送的復(fù)位脈沖一定要大于１ｍｓ，否則軟件將無(wú)法正常運(yùn)行。這主要與ＤＳ１８２０的寫(xiě)時(shí)間有關(guān)，在用軟件進(jìn)行寫(xiě)０之后和寫(xiě)１之前，必須有８００μｓ的低脈沖，寫(xiě)１后再寫(xiě)１也是如此，否則將出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)錯(cuò)誤。

由于ＰＩＣ１６Ｃ７３內(nèi)含Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，因此，參考電壓可由軟件設(shè)置為器件的正電源電壓，同時(shí)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(hào)。系統(tǒng)中的Ａ／Ｄ模塊有３個(gè)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(fù)位值是００Ｈ，未用位在執(zhí)行讀操作時(shí)為０，不能執(zhí)行寫(xiě)操作，其它位均可讀寫(xiě)。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(guò)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(yè)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(yè)面０

ＭＯＶＬＷ ０ＸＣ１ ；時(shí)鐘、Ａ／Ｄ接通

ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ０ ；

ＢＣＦ ＰＩＲ１，ＡＤＩＦ ；清除Ａ／Ｄ中斷標(biāo)志

ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ，ＰＥＩＥ ；使能外圍功能

ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ，ＧＩＥ ；使能所有中斷

３　結(jié)束語(yǔ)

本裝置對(duì)需要溫濕度實(shí)時(shí)控制的工作場(chǎng)合是非常必要的，并且具有較大的應(yīng)用價(jià)值。由于采用了一線數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８２０來(lái)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采樣，所以可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采樣的集中控制。配置的ＲＳ－２３２接口可使多個(gè)這樣的裝置方便地與上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)控。該裝置現(xiàn)已成功地應(yīng)用于程控機(jī)房中，效果較好。

by 國(guó)外電子元器件