1 硬件的总体设计
本系统的设计背景为环境温湿度监控,需要采集多个位置的有效信号。系统的主要硬件组成包括:温度采集电路、A/D转换模块、单片机、存储器模块、串行通讯模块以及扩展模块等。多个温湿度传感器获取的温度信号经过温度采集电路采样,转化为数字信号,然后存放至FM3164存储器中。AT89C52单片机从FM3164存储器中读取数据并进行提取处理以及多通道融合处理,最后根据需要将处理结果以RS-232标准接口送往PC机。同时, PC机的控制指令也可以通过该接口传送给单片机,以实现多点温度信号的采集、处理、控制、存储等功能。原理框图如图1所示。
2 信号采集电路的设计与分析
2.1 传感器的选择
本设计采用干湿球法测量湿度,因此传感器的选择主要是温度传感器。由于本系统测量点多,考虑价格、稳定性、使用寿命等多种因素,选用NTC型热敏电阻较为合适,但需要进行线性化处理。
2.2 温湿度测量
本设计选用两只热敏电阻作为一组温湿度传感器,热敏电阻用珠状的,外面套铜壳,中间灌导热沙,用胶封口连线使用。其中一只热敏电阻作为干球温度计,暴露在空气中用以测量环境温度;另一只作为湿球温度计,用特制的纱布包裹起来,并使纱布保持湿润。由于水分蒸发速率与周围空气含水量有关,空气湿度越低,水分蒸发速率越快,导致湿球温度越低。可见,空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。通过查阅热敏电阻通风干湿表,即可知道环境相对湿度值。
2.3 热敏电阻的温度特性分析与线性化处理
2.3.1 NTC热敏电阻的特性
NTC热敏电阻温度系数αT的定义式可表示为
式中,T———热力学温度;RT———温度为T时的热敏电阻阻值; B———热敏电阻常数, B值可表示为
其中R20和R100为20℃和100℃时的电阻值。
由式(1)可见,αT的绝对值随温度的降低而增大,随温度升高而减小,这是造成NTC热敏电阻非线性的根本原因。
2.3.2 热敏电阻的线性化处理
热敏电阻的线性化方法有很多种,分为硬件线性化方法和软件线性化方法。硬件线性化方法采用串并联电阻的方法对热敏电阻进行线性化,软件线性化方法可采用查表法读取温度值。串并联电阻可在某一温度区间(如0℃~50℃)获得较好的线性化效果。
为了进一步减小测量误差,可采用平均值滤波方法,即反复测量某一通道的电压值,得到多个数据取平均值,再由上述方法得到温度值。由于测量精度限制,显示结果到小数点后一位,为软件计算补偿值。
2.4 信号采集电路的设计
本电路采用Texas Instruments生产的CD4051型八选一的模拟开关,三个地址选择引脚,两片组成8×8矩阵,可连接64路温度传感器。设计温度电压转换电路由不平衡电桥实现,放大电路采用LF347四运放芯片,构成差分放大电路,将电桥输出电压转换为对地电压。整体电路图如图2所示,其中最左侧两个端子用于连接热敏电阻,电桥中的电位器用于调平电桥,对地电压输出后至最右端可接A/D转换器。
2.5 A/D转换、单片机和存储设备电路设计
A/D转换芯片选用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543,其使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程,具有11路模拟输入通道, 12位分辨率,三路内置自测试方式,采样率为66kbps,线性误差±1LSBmax,单双极性输出,具备可编程的输出数据长度和MSB、LSB前导。由于是串行输入结构,能够节省52系列单片机I/O资源;且价格适中,因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
系统采用的AT89C52型单片机内含8KB的Flash程序存储器、256字节的RAM、具有32根I/O线、3个可编程定时器。相比其他类型单片机而言,AT89C52单片机具有较多的片内资源,既保证了数据处理代码的存储空间,又能够在很少外围电路的情况下构成功能完善的信号采集系统。
存储设备选用RAMTRON公司生产的64KB铁电存储器FM3164,具有串行非易失性存储器、实时时钟、低电压复位、看门狗定时器、双16位事件计数器和串行数据标识等多项功能。铁电存储器采用了先进的存储技术,可无限制的读写,掉电数据保持10年,且无延时写操作,为存储实时采集数据提供了方便。温度信号包括数据2字节,通道号1字节,月、日、时、分数据4字节,每天1小时采集一次, 1个月总共30×24小时, 1个月共需要存储量(64×3+4)×30×24/1024≈130KB,系统简图如图3所示。
图3 温度采集系统简图
2.6 串口通讯模块
在环境温湿度采集系统中,采集的温湿度数据要上传至PC机,由PC机控制温湿度控制装置发送指令采集和控制。因此单片机和主处理器之间的通讯是整个系统不可或缺的一个组成部分。在本系统中,AT89C52单片机为下位机, PC机为上位机,二者通过RS-232串行口接收或上传数据和指令。在此,系统使用了集成电平转换芯片MAX232来进行RS232C/TTL电平转换。
3 软件设计
系统软件主要由单片机处理软件和PC机监控软件两部分组成。
3.1 单片机软件设计
单片机软件主要实现数据的采集和存储以及串口通讯等功能。主流程框架如图4所示。运行一次采集存储子程序即完成一个周期的多通道数据采集,根据串口命令使用通讯子程序将结果发送至PC机,并由PC机发出指令给控制装置。
在采集存储子程序中,如果每次A/D转换后频繁使用存储器,会占用系统很大的资源,影响系统的实时性。对此,系统采用了增设缓冲区的方法。每次A/D转换结束,数据被送到单片机内部的缓冲区而不是立即写入外存。当每个通道采集完一轮后,再将缓冲区的内容一起写入外部存储器(流程如图5所示)。
3.2 PC机软件设计
系统监控软件使用VC++6.0语言开发,它的作用是通过串口命令控制单片机工作,并进行数据计算和处理,为空调和湿度发生器的控制提供环境信息。应用该软件,可以实现实时数据显示、数据记录保存、控制操作、控制设置、瞬时曲线描绘等功能,并可以通过对数据的处理,实时获取温湿度信息,完成对环境温湿度的控制。
4 结束语
本系统专门针对环境温湿度监控而设计,实用性强,结构简单,成本低,外接元件少,且实际应用中工作稳定可靠,测量温度准确,精度较高,完全达到设计目的。
参考文献:
[1]李道华,李玲,朱艳.传感器电路分析与设计[M].武汉大学出版社, 2003.
[2]张迎春,高文红.热敏电阻不平衡电桥的简单设计技巧[J].山东轻工业学院学报, 1997, 11(1).
[3]孟凡文.NTC热敏电阻的非线性误差及其补偿[J].传感器世界, 2003, (5).
[4]王幸之,钟爱琴,等. at89系列原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.
作者简介:邓星灵(1981—),女,助工,研究方向为热工计量和医疗计量。
（收稿日期:2008-07）
