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隨著社會經濟的發展和科學技術的不斷進步，許多情況下都需要對環境的溫濕度進行限定，因此，必須在某些特定環境安裝溫濕度報警器以進行監控。為此，本文利用集成溫濕度傳感器HM1500的測溫快速、使用簡便等特點，同時結合MSP430單片機強大的功能，設計了一個監控系統來對溫濕度進行實時監控以進行超限報警。本系統測量準確、調試方便、可實時記錄報警信息、方便工作人員排故，并可廣泛應用于條件惡劣、人員不便進入的場合。 1 系統結構和總體設計方案 本系統的總體設計方案如圖1所示。本方案采用分別設計溫度和濕度采樣電路的方法，將集成溫度傳感器AD590采集得到的電流信號和濕度傳感器HM1500采集到的電壓信號轉換為給定范圍內的電壓信號。然后由單片機MSP430F1232的AD采樣端口將該電壓信號讀入，如果溫度小于門限值或者濕度大于門限值就給出報警信號。門限值可以通過按鍵進行設定。同時，系統還可以通過中斷方式按給定協議將采集到的溫濕度值送給上位機。 2 器件選擇 2.1 MSP430F1232單片機 MSP430系列單片機是TI公司推出的功能強大的超低功耗16位混合信號處理器。該系列單片機以其極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發方式等特點，被廣泛應用于便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制等領域。為了最大限度地利用單片機端口和片內外設并降低設計成本，本設計選用MSP430F1232，該單片機有3個并行端口，一個RS485串行通訊口，同時內置10位AD采樣器，可完全滿足溫濕度采樣的精度要求。 2.2 AD590溫度傳感器 AD590是美國AD公司生產的二端式集成溫度一電流傳感器，該器件體積小、重量輕、性能穩定。測溫范圍為-50～+150℃；線性電流輸出為1μA／K；線性度好，測量精度為±0.3℃；電源電壓范圍為4～30 V。當電源電壓在5～10 V之間，電壓穩定度為1％時，其誤差只有±0.1℃。 2.3 HM1500濕度傳感器 線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500采用獲得專利的濕敏電容HS1101設計制造，其濕度測量范圍為5％～99％(相對濕度)；相對濕度精度為3％；工作溫度為-30～+60℃；工作濕度范圍為0～100％(相對濕度)；供電電壓為5V(最大電壓DC16V)；可輸出DC電壓為1～4 V；響應時間為5s，適用于工業級場合。 3 信號調理電路設計 3.1 溫度測量電路設計 考慮到AD590溫度傳感器的輸出電流源特性，設計的溫度信號測量電路如圖2所示。該電路的溫度測量范圍為-10～+500℃。AD590采用15V電壓供電；電阻R1用于調整零點；電阻R3為精密電阻，用來調整增益。運放的同向端輸入2.50V精密參考電壓，該電壓由TL431提供。IN端輸入AD590的電流，OUT端輸出為相應轉換所得到的電壓。根據AD590的特性，在-10℃時，流過電流為262.2μA，設計使這部分電流全部流過R1、R2，而其后增加的電流均流過R3，OUT端的輸出電壓為： 當溫度在-10～+50℃之間變化時，該電壓就在2.5～0V之間反向線性變化，調節R1的阻值大小可以消除不同傳感器的零點誤差。 3.2 濕度測量電路設計 集成濕度傳感器HM1500的輸出電壓在1～4 V間隨濕度線性變化，考慮到本系統的單電源特點，設計的濕度信號采集電路如圖3所示，該電路的測濕范圍為0～100％。 由于該電路中沒有負壓，電路的主體采用差分式減法電路，精密電阻R3=R6=2.4kΩ，R4=R7=2kΩ，用這四個電阻可調節增益。通過HM1500傳感器測量所得到的濕度電壓信號從IN端輸入。差分的另一側輸入Vs。由TL431提供2.5 V的精密電壓分壓后可得到1.0 V左右的電壓。并由此可以得到輸出電壓的計算公式為： 若輸入電壓在1～4 V之間變化，則輸出電壓就相應在0～2.5 V之間變化。調節R1可以消除不同的濕度傳感器的零點誤差。 4 顯示存儲和串行通訊電路設計 本系統采用3個獨立按鍵和四位七段數碼管動態掃描顯示的方式，數據存儲采用。EEPROM芯片AT24C02來存儲設定的溫濕度傳感器地址、溫濕度報警門限值，以及報警記錄。采集到的各種數據和存儲的報警信息可以按照指定的協議傳送給上位主控制器進行處理。 圖4所示是該系統中的按鍵顯示、數據存儲和串行通訊電路。圖中，當單片機從ADIN1和ADIN2口采集到溫濕度數據以后，首先把濕度值送到數碼管顯示，同時點亮濕度指示燈，表示現在顯示的是濕度。通過按2號鍵和3號鍵可以切換溫濕度顯示，其中2號鍵顯示濕度，3號鍵顯示溫度，顯示溫度時同樣會點亮相應的指示燈。如果檢測到溫濕度超過門限，則點亮報警燈，以表示數據超限。按1號鍵可以進行相應溫濕度門限和傳感器地址的設定。數據設定完成以后，可通過兩個IO口編程模擬I2C總線協議以把數據存入指定位置，從而使斷電后再開機時，數據能正常讀出。由于單片機IO口有限，該系統又采用兩片SN74HC373芯片擴展了8個IO口以滿足設計要求。為了保證電平兼容，這部分電路均采用3.3V電壓供電。數據采集轉換完成以后，系統可直接通過單片機的UASRT(異步串行通訊口)接到MAX3485通訊芯片，以便按照指定的協議把數據傳送給上位機。
5 軟件設計 本系統的軟件設計采用C語言編寫，主要通過MSP430F1232單片機的10位AD采樣模塊讀人端口溫濕度電壓信號，并按照相應轉換公式轉化成實際溫濕度數值并存儲。然后根據需要將其送到數碼管顯示或者通過RS485串口送給上位機。另外，該軟件還可進行模擬I2C總線的數據存儲。 圖5為該系統的主循環流程。系統上電以后，首先讀取存在EEPROM中的地址和溫濕度門限值，然后進入循環狀態進行溫濕度信號采樣，接著對采集得到的數據進行處理并存儲，同時在循環中對按鍵標志位進行判斷。如果被置位，則執行相應的按鍵處理。 圖6為該系統的定時器中斷流程。當系統進入中斷以后，首先通過判斷相應的IO口輸入電平是否跳低來判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，則進一步判斷是哪一個鍵，接著存儲該鍵位并將按鍵標志位置位。之后再調用顯示刷新程序，將最新采集到的數據送到數碼管顯示。最后判斷采集到的數據是否超出門限，并相應點亮指示燈或者報警燈。執行完以上操作后中斷返回。 6 結束語 本系統最大的特點是測量準確、結構簡單、調試使用方便、性價比高、可以單獨使用，也可以和上位機連接。為了確保整個系統運行的穩定性，本系統還用硬件設計上采用了單片機上電復位電路，而在軟件設計中則加入了看門狗和軟件陷阱。實驗證明，該裝置運行可靠，測量誤差小，具有很好的應用效果，因此，可以廣泛應用于工業環境中對溫度或者濕度有超限報警要求的場合。 |
