引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多情況下都需要對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行限定，因此，必須在某些特定環(huán)境安裝溫濕度報(bào)警器以進(jìn)行監(jiān)控。為此，本文利用集成溫濕度傳感器HM1500的測(cè)溫快速、使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合MSP430單片機(jī)強(qiáng)大的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以進(jìn)行超限報(bào)警。本系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確、調(diào)試方便、可實(shí)時(shí)記錄報(bào)警信息、方便工作人員排故，并可廣泛應(yīng)用于條件惡劣、人員不便進(jìn)入的場(chǎng)合。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。本方案采用分別設(shè)計(jì)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(hào)和濕度傳感器HM1500采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為給定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。然后由單片機(jī)MSP430F1232的AD采樣端口將該電壓信號(hào)讀入，如果溫度小于門(mén)限值或者濕度大于門(mén)限值就給出報(bào)警信號(hào)。門(mén)限值可以通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)，系統(tǒng)還可以通過(guò)中斷方式按給定協(xié)議將采集到的溫濕度值送給上位機(jī)。
2 器件選擇
2.1 MSP430F1232單片機(jī)
MSP430系列單片機(jī)是TI公司推出的功能強(qiáng)大的超低功耗16位混合信號(hào)處理器。該系列單片機(jī)以其極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開(kāi)發(fā)方式等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式儀表、智能傳感器、實(shí)用檢測(cè)儀器、電機(jī)控制等領(lǐng)域。為了最大限度地利用單片機(jī)端口和片內(nèi)外設(shè)并降低設(shè)計(jì)成本，本設(shè)計(jì)選用MSP430F1232，該單片機(jī)有3個(gè)并行端口，一個(gè)RS485串行通訊口，同時(shí)內(nèi)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(guó)AD公司生產(chǎn)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(wěn)定。測(cè)溫范圍為-50～+150℃；線性電流輸出為1μA／K；線性度好，測(cè)量精度為±0.3℃；電源電壓范圍為4～30 V。當(dāng)電源電壓在5～10 V之間，電壓穩(wěn)定度為1％時(shí)，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(zhuān)利的濕敏電容HS1101設(shè)計(jì)制造，其濕度測(cè)量范圍為5％～99％(相對(duì)濕度)；相對(duì)濕度精度為3％；工作溫度為-30～+60℃；工作濕度范圍為0～100％(相對(duì)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(yīng)時(shí)間為5s，適用于工業(yè)級(jí)場(chǎng)合。
3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
3.1 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
考慮到AD590溫度傳感器的輸出電流源特性，設(shè)計(jì)的溫度信號(hào)測(cè)量電路如圖2所示。該電路的溫度測(cè)量范圍為-10～+500℃。AD590采用15V電壓供電；電阻R1用于調(diào)整零點(diǎn)；電阻R3為精密電阻，用來(lái)調(diào)整增益。運(yùn)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(yīng)轉(zhuǎn)換所得到的電壓。根據(jù)AD590的特性，在-10℃時(shí)，流過(guò)電流為262.2μA，設(shè)計(jì)使這部分電流全部流過(guò)R1、R2，而其后增加的電流均流過(guò)R3，OUT端的輸出電壓為：
當(dāng)溫度在-10～+50℃之間變化時(shí)，該電壓就在2.5～0V之間反向線性變化，調(diào)節(jié)R1的阻值大小可以消除不同傳感器的零點(diǎn)誤差。
3.2 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
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(tǒng)的單電源特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的濕度信號(hào)采集電路如圖3所示，該電路的測(cè)濕范圍為0～100％。
由于該電路中沒(méi)有負(fù)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(gè)電阻可調(diào)節(jié)增益。通過(guò)HM1500傳感器測(cè)量所得到的濕度電壓信號(hào)從IN端輸入。差分的另一側(cè)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(jì)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(yīng)在0～2.5 V之間變化。調(diào)節(jié)R1可以消除不同的濕度傳感器的零點(diǎn)誤差。
4 顯示存儲(chǔ)和串行通訊電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用3個(gè)獨(dú)立按鍵和四位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用。EEPROM芯片AT24C02來(lái)存儲(chǔ)設(shè)定的溫濕度傳感器地址、溫濕度報(bào)警門(mén)限值，以及報(bào)警記錄。采集到的各種數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的報(bào)警信息可以按照指定的協(xié)議傳送給上位主控制器進(jìn)行處理。
圖4所示是該系統(tǒng)中的按鍵顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和串行通訊電路。圖中，當(dāng)單片機(jī)從ADIN1和ADIN2口采集到溫濕度數(shù)據(jù)以后，首先把濕度值送到數(shù)碼管顯示，同時(shí)點(diǎn)亮濕度指示燈，表示現(xiàn)在顯示的是濕度。通過(guò)按2號(hào)鍵和3號(hào)鍵可以切換溫濕度顯示，其中2號(hào)鍵顯示濕度，3號(hào)鍵顯示溫度，顯示溫度時(shí)同樣會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。如果檢測(cè)到溫濕度超過(guò)門(mén)限，則點(diǎn)亮報(bào)警燈，以表示數(shù)據(jù)超限。按1號(hào)鍵可以進(jìn)行相應(yīng)溫濕度門(mén)限和傳感器地址的設(shè)定。數(shù)據(jù)設(shè)定完成以后，可通過(guò)兩個(gè)IO口編程模擬I2C總線協(xié)議以把數(shù)據(jù)存入指定位置，從而使斷電后再開(kāi)機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)能正常讀出。由于單片機(jī)IO口有限，該系統(tǒng)又采用兩片SN74HC373芯片擴(kuò)展了8個(gè)IO口以滿足設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換完成以后，系統(tǒng)可直接通過(guò)單片機(jī)的UASRT(異步串行通訊口)接到MAX3485通訊芯片，以便按照指定的協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。
5 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要通過(guò)MSP430F1232單片機(jī)的10位AD采樣模塊讀人端口溫濕度電壓信號(hào)，并按照相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)化成實(shí)際溫濕度數(shù)值并存儲(chǔ)。然后根據(jù)需要將其送到數(shù)碼管顯示或者通過(guò)RS485串口送給上位機(jī)。另外，該軟件還可進(jìn)行模擬I2C總線的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
圖5為該系統(tǒng)的主循環(huán)流程。系統(tǒng)上電以后，首先讀取存在EEPROM中的地址和溫濕度門(mén)限值，然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行溫濕度信號(hào)采樣，接著對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，同時(shí)在循環(huán)中對(duì)按鍵標(biāo)志位進(jìn)行判斷。如果被置位，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵處理。
圖6為該系統(tǒng)的定時(shí)器中斷流程。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷以后，首先通過(guò)判斷相應(yīng)的IO口輸入電平是否跳低來(lái)判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，則進(jìn)一步判斷是哪一個(gè)鍵，接著存儲(chǔ)該鍵位并將按鍵標(biāo)志位置位。之后再調(diào)用顯示刷新程序，將最新采集到的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示。最后判斷采集到的數(shù)據(jù)是否超出門(mén)限，并相應(yīng)點(diǎn)亮指示燈或者報(bào)警燈。執(zhí)行完以上操作后中斷返回。
6 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試使用方便、性?xún)r(jià)比高、可以單獨(dú)使用，也可以和上位機(jī)連接。為了確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)還用硬件設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)上電復(fù)位電路，而在軟件設(shè)計(jì)中則加入了看門(mén)狗和軟件陷阱。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置運(yùn)行可靠，測(cè)量誤差小，具有很好的應(yīng)用效果，因此，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中對(duì)溫度或者濕度有超限報(bào)警要求的場(chǎng)合
