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单片机构成的环境温湿度实时测控装置设计
摘要：介绍了环境温湿度实时测控装置的研制思路和方法。该装置可实现环境温度、湿度的实时测量与控制，并附有通信接口以及可控制多种设备的多点时间控制电路，能方便地应用于各种温湿度控制场合。关键词：PIC16C73；测控；通信；温湿度
环境条件中的温湿度指标是许多工作场合的重要参数，不论是仓库管理、图书保存还是工业测量与计量检定，都需要符合操作规定的温湿度环境条件。而温湿度也是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温湿度控制器显得非常重要。本文介绍的温湿度实时控制装置可在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ（相对湿度）的范围内任意设定温湿度值，其附加的通信接口可方便地实现与计算机的实时通信，而且便于功能的扩展，可保证温度、湿度满足设计指标。此外，该装置还可自动控制多个设备的多点时间控制电路，因而具有更广泛的应用前景。该装置可实现的功能如下：
●在０～５０℃和２０％～９８％ＲＨ间可任意设定温湿度控制点；
●可以实时监测环境温湿度的变化情况，并记录、存储相关数据；
●对环境温湿度的控制可满足设计指标；
●具有多点定时设备控制电路，便于功能扩展；
●设有语音提示功能，可方便地实现仪器操作和工作管理提示；
●配有通信接口，可方便地与计算机进行通信；
●温湿度控制的精度分别为：温度（０～５０℃）±０．５℃；湿度（２０％～９８％ＲＨ）±２％～３％ＲＨ。
图1
１ 硬件设计
该装置的硬件框图如图１所示。它主要由单片机ＰＩＣ１６Ｃ７３及外部电路构成。ＰＩＣ１６Ｃ７３是由美国Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生产的８位单片微机，采用Ｈａｒｖａｒｄ结构，这种结构可使指令执行和取指操作重叠进行，因而具有很高的执行速度。它只有３５条单字节指令，除了跳转指令是２周期指令外，其它指令都是单周期指令。这些特点使它较之于别的８位单片机节省了１／２的程序空间，并具有４?１的速度优势。ＰＩＣ１６Ｃ７３在芯片内集成了一个８位算术逻辑单元和工作寄存器、４ｋ程序存储器、１９２个数据寄存器、２２个Ｉ／Ｏ口?、３个定时／计数器及２个捕捉／ 比较／ＰＷＭ模块和２个串行口，其中Ａ／Ｄ转换器具有５路模拟量输入端，同时还具有时钟、复位、看门狗定时器等。这５路模拟量输入通道共同复用一个采样／保持和Ａ／Ｄ转换器。ＰＩＣ１６Ｃ７３外接温湿度采样电路及电器驱动电路，因而可实现对温湿度的控制。该系统硬件主要包括本机地址设定电路、采样电路、键盘显示电路、看门狗电路、电器驱动电路、时间设置及定时驱动电路、ＲＳ－２３２通信等电路。下面以计量实验室温湿度的控制为例，对各主要电路加以介绍。
１．１ 温度检测电路
温度检测电路选用Ｄａｌｌａｓ公司生产的一线式数字温度传感器ＤＳ１８２０作为温度检测器件，该器件只有３个引脚（即电源ＶＤＤ、地线ＧＮＤ、数据线ＤＱ），且不需要外部元件，而是共用一条数据线进行通信，使用一根Ｉ／Ｏ线通信时，ＤＳ１８２０的电源电压是以寄生方式供电的，因此，只需将其ＶＤＤ和ＧＮＤ端接地即可。该电路的检测温度范围为－５５～＋１２５℃；精度为０．５℃；用９ｂｉｔ数字量来表示温度；每次将温度转换成数字量需２００ｍｓ。笔者采用三块ＤＳ１８２０来实现对实验室环境温度的检测，之所以用三块，是为了更好地保持温度的恒定。使用时可分别将这三块ＤＳ１８２０放置在房间的不同位置。获得温度信息时，先由ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２脚发送一个１ｍｓ的复位脉冲，以使ＤＳ１８２０复位后将向ＰＩＣ１６Ｃ７３发送一个回应脉冲，ＰＩＣ１６Ｃ７３接到回应脉冲后将发送读ＤＳ１８２０序列号的读ＲＯＭ命令，以分别读取三个ＤＳ１８２０的序列号（每一块ＤＳ１８２０有唯一的序列号）；然后，ＰＩＣ１６Ｃ７３再发出定位命令以选择在线的ＤＳ１８２０并进行温度转换。此时ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ１脚应输出一个保持２ｓ以上的高电平信号来使ＳＫ２１４导通，从而提供ＤＳ１８２０在总线供电下进行温度转换时所需的１ｍＡ电流。当温度转换完成后，ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ２脚会发送ＤＳ１８２０的存储命令，从而完成温度信息数据的转换和读取。
１．２ 湿度检测电路
湿度信号的获取采用电容式湿敏传感器作为湿度检测器件。环境湿度与传感器电容成线性关系，所以可方便地将湿度转换成ＰＩＣ１６Ｃ７３可以接受的电信号，本例中采用ＥＬ７５５６来实现转换。ＥＬ７５５６由积分电路、基准电路、频率转换电路及频率—电压（Ｆ／Ｖ）转换电路等组成，积分电路及Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１用于产生一定频率的脉冲信号并从５脚送至８脚。调节Ｒ２可对该脉冲信号频率进行调整，从而使湿度传感器的线性和灵敏度处于较好状态；基准电路和频率转换电路可将湿度传感器的电容变化转换成频率变化，再经频率—电压转换电路后从９脚输出与频率成线性的电压，然后经Ｃ３等滤波后送入ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ０端，再进行Ａ／Ｄ转换以将其转换成数字信号。本例中的湿敏传感器为ＭＸＳ型电容式湿敏传感器，湿度为７６％ＲＨ时的电容值为５００ｐＦ，电容相对变化率为＋１．７ｐＦ／％。当湿度为０％～１００％ＲＨ时，９脚输出的相应信号频率为０～１０００Ｈｚ，精度为２％，Ｆ／Ｖ电路输出的电压为０～５Ｖ。调整时，可先设定湿度为５％ＲＨ，然后调节Ｒ２，使９脚输出１００ｍＶ电压即可。
１．３ 定时及控制驱动电路
定时主要用于提前预热仪器设备和定时语音提醒等，该功能的实现由单片机来完成。时钟频率选用３２．７６８ｋＨｚ，该频率可使单
片机工作在最小功耗状态并可简化分频、定时程序的编写。可选用看门狗电路来作为定时基准，看门狗每１８ｍｓ复位一次可确保时钟的准确及语音电路的播放操作。
控制驱动电路用于保护仪器。各个电磁阀的导通要有一定的时间间隔，本例中为２分钟。推荐的工作方式为：６：００电磁阀１导通，接通稳压电源；６?０２以后每间隔２分钟接通一个相应设备（应先启动感性及大功率设备）。这样，当８：００上班后即可保证有些需要预热１～２小时的仪器设备进入最佳工作状态，从而提高工作效率，保证计量检定的质量。电器驱动电路控制的设备主要包括空调机、风机、吸湿机、加湿机等，可分别采用过零型固态继电器来控制工作。为了便于扩展该装置的功能，系统应留有足够的扩展空间。因此，设计时可用ＰＩＣ１６Ｃ７３的ＲＡ３口作控制口，另外可外扩两片ＰＣＦ８５７４以作备用。该系统最多可控制１６个设备以满足不同需要。继电器采用交流固态继电器，其内部采用光电隔离方式，可有效地避免电磁干扰。当单片机检测到温湿度信号超过设定值时，将从ＲＡ３口发出控制信号，并通过光耦产生大于５ｍＡ的触发电流使固态继电器启动相应的电器工作，从而实现对相应设备的控制。设计时应注意各个电器不要同时启动以免冲击电网，这部分工作可由软件延时完成。固态继电器可选择国产的Ｈ２２０Ｄ１５。
图2
１．４ 语音电路
语音电路用于完成多种语音提示。可选用台湾Ｗｉｎｂａｎｄ公司生产的语音处理芯片Ｗ５１３０００。该器件除了支持按键直接控制话筒和喇叭的随录随放功能和快速搜索放音模式外，还具有完善的ＣＰＵ微处理器控制模式，并可用单片机控制它的所有功能。其主要提供的语音信息为：
（１）加湿器、吸湿器水箱的水满和缺水报警。这部分语音信号的触发由安装在水槽内的导电电极片完成；
（２）中午休息和下班信息的提示；
（３）预约工作的提示，如可提示预先设置的工作计划安排等信息。
语音的录制等操作可由键盘和ＰＩＣ１６Ｃ７３完成。
１．５ 通信和键盘显示电路
为了更好地实现与上位计算机之间的通信和系统功能的扩展，该装置设有ＲＳ－２３２接口电路，通信速率可由用户在１２００／２４００／４８００／９６００比特等４种中通过键盘按需选择。
该系统的键盘设有１６个按键：０～９为１０个数字键；Ａ为设定功能选择键，Ｂ为设定完成确定键，Ｃ为显示选择键，Ｄ～Ｆ键则用于完成语音处理和通信等功能。对于温湿度的显示，则可采用４位ＬＥＤ动态分时完成。
２ 软件设计
该系统软件可采用模块化设计方法，用汇编语言来实现。包括主程序、中断服务程序、温湿度检测程序、语音处理程序、定时驱动程序、显示子程序等。主程序以循环方式工作，主要完成中断初始化、键盘扫描、温湿度检测、语音处理及显示子程序的循环调用等功能。
２．１ 主程序设计
主程序是控制和管理的核心，主要完成在系统上电后进行定时器和中断处理操作的初始化。初始化主要完成对温湿度的设定和检查除定时器Ｔ０外的所有中断禁止，同时断开各电器的电源。初始化完成后，系统将开始正常运行，并进行温湿度检测、键盘扫描及定时处理等操作，其软件流程如图２所示。
２．２ 温湿度处理子程序
温度传感器选用ＤＳ１８２０，其软件的编写相对简单，ＤＳ１８２０输入单片机的信号为９位数字信号，它不需要进行转换。这里应注意的是，软件控制单片机向ＤＳ１８２０发送的复位脉冲一定要大于１ｍｓ，否则软件将无法正常运行。这主要与ＤＳ１８２０的写时间有关，在用软件进行写０之后和写１之前，必须有８００μｓ的低脉冲，写１后再写１也是如此，否则将出现数据写错误。
由于ＰＩＣ１６Ｃ７３内含Ａ／Ｄ转换器，因此，参考电压可由软件设置为器件的正电源电压，同时由ＲＡ０引脚接入的模拟电压可经Ａ／Ｄ转换成数字信号。系统中的Ａ／Ｄ模块有３个寄存器分别为：Ａ／Ｄ转换结果寄存器（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模块的工作，寄存器的上电复位值是００Ｈ，未用位在执行读操作时为０，不能执行写操作，其它位均可读写。Ａ／Ｄ控制寄存器１则只用了０～２位，这３位是Ａ／Ｄ转换口配置位，通过这些位可将模拟口配置成不同的工作方式，包括模拟量输入输出、数字量输入输出以及参考电压。
以ＲＡ０通道为例，其Ａ／Ｄ转换程序如下：
ＢＳＦ ＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０ ；选择页面１
ＣＬＲＦ ＡＤＣＯＮ１ ；配置Ａ／Ｄ输入
ＢＳＦ ＰＩＥ１，ＡＤＩＥ ；使能Ａ／Ｄ中断
ＢＣＦ ＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０ ；选择页面０
ＭＯＶＬＷ ０ＸＣ１ ；时钟、Ａ／Ｄ接通
ＭＯＶＷＦ ＡＤＣＯＮ０ ；
ＢＣＦ ＰＩＲ１，ＡＤＩＦ ；清除Ａ／Ｄ中断标志
ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ，ＰＥＩＥ ；使能外围功能
ＢＣＦ ＩＮＴＣＯＮ，ＧＩＥ ；使能所有中断
３ 结束语
本装置对需要温湿度实时控制的工作场合是非常必要的，并且具有较大的应用价值。由于采用了一线数字温度传感器ＤＳ１８２０来实现多点温度采样，所以可实现多点温度采样的集中控制。配置的ＲＳ－２３２接口可使多个这样的装置方便地与上位机（计算机）互联，以实现温湿度的测控。该装置现已成功地应用于程控机房中，效果较好。
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