0 前言
人工氣候室是在環(huán)境試驗、科學研究（諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程）等領(lǐng)域應用廣泛的實驗設備。它能模擬自然界的各種氣象條件，按照實驗要求精確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及CO2等指標，復現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長、發(fā)育、生理、生化過程創(chuàng)造了環(huán)境條件。因此，人工氣候室廣泛應用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、環(huán)境科學及生物遺傳工程等領(lǐng)域。
在人的日常生活中，人的居住空間也是一個人工環(huán)境。空氣污染，直接威脅人的身體健康；噪音污染，影響人的情緒、工作、休息、飲食，可以導致神經(jīng)衰弱；溫度過熱、過冷，導致人的不適，耗費電能；空氣過濕，將使人們感到沉悶和窒息；空氣過燥，又會使人的口腔感到不適，甚至可能發(fā)生咽喉炎等疾病。如果能系統(tǒng)自動控制這個最常見的空間，人的生活將更舒適。所以說，這是一個很有發(fā)展前途的課題，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了相關(guān)系統(tǒng)的研制[3]、 [5]。本文也就其中最難測量的物理量——濕度進行研究。
1 濕度檢測的原理無線
本系統(tǒng)通過單片機AT89C51[1]及其各種接口電路來實現(xiàn)濕度的檢測。其工作原理是: 電容式相對濕度傳感器的容值隨著濕度的變化而線性的變化，通過信號檢測和轉(zhuǎn)換電路將變化的電容轉(zhuǎn)換成與之對應的變化的電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送入到單片機中，單片機對采集到的信號進行濾波處理并通過查表得到實際測量的濕度值，之后通過單片機的各外部接口電路顯示該濕度值，或通過其與上位機的接口把此值送入到上位機進行保存及打印等操作。
2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能設計
圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，其中下位機以單片機AT89C51為核心，配以濕度檢測和傳送電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲器電路、時鐘電路、看門狗復位電路、串行通信電路、鍵盤和LED顯示電路及電源電路等組成。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
本系統(tǒng)的濕度傳感器采用高精度的HS11000電容式相對濕度傳感器[2]，它采用電容式濕度敏感元件，其特點是尺寸小、響應時間快、線性度好、溫度系數(shù)小、可靠性高和穩(wěn)定性好。在相對濕度為0％~100％RH范圍內(nèi)，電容量由162pF變到200pF時，其誤差不大于±2％RH，而且響應時間小于5s，溫度系數(shù)為0.04pF/℃，可見該濕度傳感器受溫度的影響是很小的。為了保存數(shù)據(jù)的原始記錄，
AT89C51單片機作為檢測儀的核心部分。主要負責將A/D轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理并送至LED顯示模塊實時顯示；響應鍵盤輸入，查看或修改用戶設定的濕度上限值。文獻[4]采用DSP實現(xiàn)了溫濕度控制器的設計，但是由于DSP的價格較高，不宜應用在各種場合中。
2.1 A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換電路負責把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本系統(tǒng)采用了以10位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎而構(gòu)造的CMOS A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549,它具有片內(nèi)采樣-保持電路，還有差分高阻抗基準電壓輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達到±1LSB Max（4.8mV）等特點。它通過一個三態(tài)輸出端（DATAOUT）和2個輸入端（包括I/OCLOCK（I/O時鐘）和CS（片選））與AT89C51的P10～P12接口相連，這樣不僅簡化系統(tǒng)的設計，減少電路板的占用面積，而且提高了可靠性，分辨率也較高。
2.2 看門狗復位
看門狗復位電路選用X25045芯片。它集斷電數(shù)據(jù)保存功能、看門狗功能、上電掉電復位功能、電源電壓監(jiān)控功能于一身，這種組合大大簡化了硬件設計，降低了成 本和系統(tǒng)功耗。當系統(tǒng)故障時，在選定的超時時間之后，X25045的看門狗將以RESET信號作為響應，利用X25045低VCC檢測電路，可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓的影響；當VCC降到最小VCC轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復位一直到VCC返回規(guī)定值且穩(wěn)定為止。
2.3 串口通信
為了對采集到的數(shù)據(jù)進行進一步的處理，需要將數(shù)據(jù)從單片機傳送至計算機。AT89C51具有串行通訊接口（SCI） , SCI是為能與CRT終端及計算機等外設通訊的全雙工異步系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用RS-232-C接口方式，傳送波特率為9600比特。接口芯片采用MAX232，這種芯片可以實現(xiàn)TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉(zhuǎn)換，也就是可以把5V電平表示為“1”，0V電平表示“0”的邏輯，轉(zhuǎn)換成－3～15V電平表示“1”，＋3～15V電平表示“0”的邏輯，從而解決了由于PC機的串行口是RS-232C標準的接口，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C51在接口時會產(chǎn)生電平不同的問題。因此PC機和AT89C51單片機串行通信便可以順利進行。
2.4 鍵盤控制
鍵盤電路是單片機應用系統(tǒng)最常用的人機接口電路，用它可以完成濕度值的設定、移位、加1、減1、清零、前翻頁、和后翻頁等功能。但它往往要占用較多的I/O端口。在本濕度檢測系統(tǒng)中，除了把一個獨立的按鍵用作開始鍵外，利用了一種新型的鍵盤電路，它可以最大限度地減少鍵盤電路對I/O端口的占用。
這種電路可以使按鍵次數(shù)達到16個，其軟件處理使用了端口訪問和掃描檢測兩種方法，同時由于采用了組合邏輯來直接對端口進行讀取，因此極大地簡化了程序的處理過程，同時也節(jié)省了寶貴的存儲器和CPU運算資源。鍵盤控制電路如圖2所示。
圖2 鍵盤控制電路
2.5 LED顯示
在本系統(tǒng)中，由于該濕度計還要進行信息的實時顯示，所以設計了LED顯示電路。該電路由三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器（LM317）、晶體管（NPN）、串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器（74LS164）、顯示器（共陽極LED）和電阻構(gòu)成，電路圖如圖3所示。
圖3 顯示控制電路
該顯示控制電路中單片機串行口工作方式為0，即為8位移位寄存器，TXD為同步信號輸出端，RXD為串行數(shù)據(jù)輸出端，選用在串行口接串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器74LS164來驅(qū)動LED顯示器。但是由于74LS164無并行輸出控制端，在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，故在某些使用場合，在74LS164與輸出裝置之間還應加上可控的緩沖級（如三態(tài)緩沖器74LS244），以使串行輸入過程結(jié)束后再輸出。而這里是通過控制NPN晶體管的導通與截止和LM317，來控制顯示器（LED）共陽極電位的高低，從而控制顯 示器的亮暗，也就是在數(shù)據(jù)傳輸過程中顯示器暗、在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時顯示器亮。由于74LS164在低電平輸出時，允許通過的電流可達8mA，故不需要再加驅(qū)動電路。通過電位器RP2調(diào)整腳2的輸出電壓，可使LED的顯示亮度均勻在線可調(diào)，而且可以節(jié)約大量限流電阻。
2.6 時鐘控制
系統(tǒng)時鐘由實時日歷時鐘芯片PCF8563提供，該芯片是一款工業(yè)級內(nèi)含I2C 總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務。內(nèi)部時鐘電路內(nèi)部振蕩電路內(nèi)部低電壓檢測電路（1.0V） 以及兩線制I2C 總線通訊方式，不但使外圍電路及其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性。
為了使單片機在將濕度值提供給顯示器顯示的同時能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入外部數(shù)據(jù)區(qū)供批處理打印和主系統(tǒng)共享或以備傳輸和處理之用，在電路中還擴展了一片16K的ATMEL公司的E2PROM存儲卡——AT24C16。單片機將數(shù)據(jù)采集處理后，讀取PCF8563時間數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)據(jù)一同存儲到AT24C16中。
2.7 電源控制
電源電路是給電子設備提供必要的電源能量的電路，就輸入和輸出而言，在集成電路中主要使用的是由交流（AC）220V，50/60Hz的市電轉(zhuǎn)換成直流電。該部分電路由降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成，其電路圖如圖4所示。
圖4 電源控制電路
在設計穩(wěn)壓部分時，根據(jù)電路對電源要求的不同而選擇不同的穩(wěn)壓電路，由于A/D轉(zhuǎn)換器（TLC1549）、看門狗定時器（X25045）、三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器（LM317）、單片機（AT89C51）要求電源電壓的穩(wěn)定性較高，所以采用了三端固定式集成穩(wěn)壓電路(78H05)；由于測量電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器對電源要求不太高，所以分別采用穩(wěn)壓管給它們供電；由于A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓（REF+）對電源要求非常高，所以采用精密基準電壓源（LM336-5.0V）供電。
3 濕度檢測和傳送電路的設計
濕度檢測和傳送電路的作用是將被檢測出的濕敏元件參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化成電壓變化使其能滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的要求。該部分電路由自激多諧振蕩器、脈寬調(diào)制電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM2917電路組成。電路的原理圖如圖5所示。
圖5 濕度檢測和傳送電路
LM2917是一種單片集成頻率/電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了一個高增益的運算放大器/比較器，內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計使用充電泵技術(shù)，對低紋波具有頻率倍增功能。雖然如果對頻率量f直接由單片機系統(tǒng)進行頻率檢測，而省去f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換是可行的。但對于電容放大后，使得7555時基IC的輸出頻率在6～4.48kHz，總有一基值頻率為4kHz，使得直接測頻計數(shù)的有效位減少。再者電容放大器又存在溫漂問題使得頻率值有所波動。造成測量誤差而影響精度。因此本檢測系統(tǒng)還是選用了f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換電路。
4 系統(tǒng)軟件設計
濕度檢測系統(tǒng)是一個智能化的系統(tǒng)，它的軟件所完成的功能主要包括：
① 采樣：單片機AT89C51能夠控制TLC1549正常工作采樣的采樣程序。
② 顯示：單片機AT89C51把采樣來的數(shù)據(jù) 經(jīng)過濾波、二—十進制轉(zhuǎn)換并以十進制4位精度顯示的程序。
③ 通信：單片機AT89C51能夠把顯示的數(shù)據(jù)通過串行通信口傳送到管理級的上位IBM-PC機，然后上位機把接收的數(shù)據(jù)進行處理。
主程序流程圖如圖6所示
圖6 主程序流程圖
5 結(jié)論
本系統(tǒng)采用了高精度的電容式相對濕度傳感器，在系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，濕度測量范圍為0～100%RH。系統(tǒng)還充分利用了AT89C51單片機自身的軟硬件資源，具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點，因此只要選用不同的濕度傳感器，并修改相應的軟件控制程序，本檢測系統(tǒng)就可應用在環(huán)境保護、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及軍事等方面，可見其具有非常廣泛的應用前景。由于該系統(tǒng)主要是濕度的檢測而涉及濕度的控制比較少，所以在控制方面有待進一步研究。
參考文獻
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