摘 要：為了解決目前工廠化養(yǎng)兔溫濕度監(jiān)控中存在的問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)了基于數(shù)字傳感器的溫濕度監(jiān)控儀。文中介紹了該溫濕度監(jiān)控儀的主要電路結(jié)構(gòu)和工作原理，并闡述了從溫濕度檢測(cè)電路及軟件的設(shè)計(jì)方面考慮，如何來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)、降低其成本和提高其精度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該監(jiān)控儀工作可靠，抗干擾性好，且具有較高的性?xún)r(jià)比。 關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感器;溫濕度監(jiān)控;單片機(jī);抗干擾措施 Abstract: To solve the problem about temperature and humidity measuring and controlling equipment used in rabbit hutch. A new equipment was developed by using digital sensor.This paper introduces the main circuit structure and working principle of the equipment, and expounds the design method of simplifying the structure of hardware circuit,reducing the cost and improving the measuring precision from the designing of temperature and humidity measuring circuit and software.The experiment proved that the equipment has more features,such as high reliability,well anti-interference and higher performance-price ratio. Key words: digital sensor; temperature and humidity measuring and controlling; single-chip;anti-interference measure 1引言 　　養(yǎng)兔生產(chǎn)是現(xiàn)代畜牧業(yè)的重要內(nèi)容之一，具有投資少、效益高等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著國(guó)際市場(chǎng)的暢通和國(guó)內(nèi)消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)兔肉產(chǎn)品需求的加大，肉兔的養(yǎng)殖逐步走向工廠化。但我們發(fā)現(xiàn)，在肉兔的養(yǎng)殖過(guò)程中，因兔舍的溫度和濕度得不到較好的調(diào)節(jié)，而使肉兔的生長(zhǎng)受到不同程度的影響。目前對(duì)兔舍的溫濕度管理基本還停留在人工操作的水平上，雖然近幾年出現(xiàn)了相關(guān)的測(cè)控設(shè)備，但通常的設(shè)計(jì)方法是多路目標(biāo)參數(shù)經(jīng)傳感器采集后輸出模擬量，然后將此模擬量通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)的處理。這種方法的缺點(diǎn)是由于每一路傳感器都需要一根數(shù)據(jù)線連接到控制主板，因此布線施工麻煩、成本高;另外，由于線路上傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，因此易受干擾、損耗大。對(duì)于大面積的兔舍溫濕度監(jiān)控這些缺點(diǎn)就顯得尤為突出。為了提高兔舍管理的智能化水平，我們研制了一套基于數(shù)字傳感器的溫濕度監(jiān)控儀。 2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 　　本監(jiān)控儀以微型單片機(jī)為控制核心，由檢測(cè)模塊（含溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)）、信息處理模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊三大部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)，操作人員可以通過(guò)鍵盤(pán)向系統(tǒng)輸入所設(shè)定的兔舍的溫度和濕度范圍。布置在兔舍的溫濕度傳感器采集參數(shù)信號(hào)后在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)直接將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)一條雙絞線送入控制室中的單片機(jī)，然后一方面送顯示電路進(jìn)行顯示，另一方面與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)兔舍內(nèi)的溫度或濕度超出所設(shè)定的范圍時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)就會(huì)輸出指令控制接通相應(yīng)的設(shè)備;當(dāng)兔舍的溫度和濕度都在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)就切斷執(zhí)行設(shè)備的電源。 3檢測(cè)電路原理 　　溫濕度檢測(cè)電路采用單總線技術(shù)設(shè)計(jì)，只要將一條雙絞線從控制室中的單片機(jī)拉向兔舍測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，然后將各路溫濕度傳感器掛接在上面就可以了。接口電路如圖2所示。用單片機(jī)的并行接口P1.0與單總線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。圖中每個(gè)與單總線直接相連的芯片均有自己的64位ROM注冊(cè)碼，也稱(chēng)之為芯片的ID號(hào)，這個(gè)注冊(cè)碼由廠家光刻到芯片內(nèi)，以確保其唯一的可識(shí)別性。這是在單總線上實(shí)現(xiàn)定位和尋址通信的關(guān)鍵所在。 [align=center] 圖2 檢測(cè)電路原理圖[/align] 　　3.1溫度檢測(cè)電路 　　對(duì)兔舍溫度信號(hào)的檢測(cè)，本系統(tǒng)選用了DS1825型溫度傳感器。DS1825是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、低功耗的單總線式數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃至+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。它不像傳統(tǒng)的模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路等，而是可以直接與微處理器總線相連。每片DS1825除具有唯一的64位注冊(cè)碼外，還帶有4位定位地址，可以識(shí)別系統(tǒng)中特定的溫度傳感器，縮小了查表范圍。 　　DS1825與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。在單片機(jī)的一根I/O總線上掛接六個(gè)DS1825同時(shí)進(jìn)行不同地點(diǎn)的溫度測(cè)量。為了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們通過(guò)地址輸入引腳AD0、AD1、AD2和AD3的不同組合來(lái)提供六種工作方式。 　　3.2濕度檢測(cè)電路 　　濕度檢測(cè)電路部分，我們采用了濕度傳感器HM1500LF和A/D轉(zhuǎn)換器DS2450的組合設(shè)計(jì)。HM1500LF是法國(guó)HUMIREL公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位的線性電壓輸出濕度傳感器，它采用HUMIREL專(zhuān)利濕敏電容HS1101設(shè)計(jì)制造，其測(cè)濕范圍為0～100%RH，輸出電壓為1～4VDC，精度為±3%RH（10～95%RH范圍），工作溫度范圍為-30℃～+60℃。DS2450是美國(guó)DALLAS公司最新推出的一種符合單總線協(xié)議的可組網(wǎng)集成A/D芯片，采用逐次逼近的轉(zhuǎn)換原理，有四個(gè)模擬電壓輸入通道和兩種模擬電壓輸入量程（0V～2.56V和0V～5.12V），一個(gè)數(shù)據(jù)輸出口（以16.3kb/s的速率通信，超速模式可達(dá)142kb/s），轉(zhuǎn)換精度可在2～16位之間任意選擇，由單5V電源供電，也可采用寄生電源方式供電。 　　濕度檢測(cè)電路如圖2所示。六個(gè)濕度傳感器分別接到一片DS2450的四個(gè)模擬電壓輸入通道A、B、C和D及另一片DS2450的A和B端，兩片DS2450的DATA端分別接到同一根I/O總線上，電路采用+5V電源供電。利用該電路濕度檢測(cè)信號(hào)在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)就被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此HM1500LF和DS2450組合在一起，就構(gòu)成了一個(gè)單總線數(shù)字濕度傳感器模塊。 4系統(tǒng)控制主板設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)的硬件電路配置如圖3所示。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)硬件電路配置[/align] 　　監(jiān)控儀的微處理器選用與MCS-51兼容的ATMEL系列單片機(jī)AT89C52，它是低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 　　LED顯示電路和鍵盤(pán)電路由一片8255、一片74HC245、一片MC1413和兩片74HC374組成。顯示控制的位碼由74HC374輸出，經(jīng)MC1413反向驅(qū)動(dòng)后，作為L(zhǎng)ED的位選通信號(hào)。位選通信號(hào)同時(shí)作為鍵盤(pán)列掃描碼，鍵盤(pán)掃描的行數(shù)由74HC245讀回，74HC374輸出的列掃描碼經(jīng)74HC245讀入后，用來(lái)判斷是否有鍵按下，以及按下的是什么鍵。如果沒(méi)有鍵按下，由于上拉電阻的作用，經(jīng)74HC245讀回的值為高，如果有鍵按下，74HC374輸出的低電平經(jīng)過(guò)按鍵被接到74HC245的端口上，這樣從74HC245讀回的數(shù)據(jù)就會(huì)有低位，根據(jù)74HC374輸出的列信號(hào)和74HC245讀回的行信號(hào)，就可以判斷哪個(gè)鍵被按下。LED顯示的段碼由另一片74HC374輸出。 　　驅(qū)動(dòng)控制電路由驅(qū)動(dòng)器74LS04和固態(tài)繼電器組成。根據(jù)單片機(jī)AT89C52輸出的執(zhí)行信號(hào)控制著空調(diào)機(jī)和除濕機(jī)的啟閉。 5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)軟件程序由主程序、中斷服務(wù)程序以及應(yīng)用子程序組成，主程序主要完成對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化及兔舍初始溫度值和濕度值的設(shè)定;中斷服務(wù)程序用來(lái)對(duì)整個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程控制。 　　5.1數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì) 　　在溫（濕）度采集子程序中，系統(tǒng)首先對(duì)DS1825（DS2450）進(jìn)行初始化，并在線搜索DS1825（DS2450）的注冊(cè)碼，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀取模擬輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換值。為了說(shuō)明其程序設(shè)計(jì)方法，下面給出了對(duì)DS2450操作的軟件流程，如圖4所示。 [align=center] 圖4 DS2450操作軟件流程[/align] 　　5.2軟件設(shè)計(jì)的抗干擾措施 　　由于本系統(tǒng)直接放在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)使用，而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般都含有種種噪音和干擾，所以必須對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波?？紤]到測(cè)量對(duì)象是變化緩慢的溫度參數(shù)和濕度參數(shù)，本系統(tǒng)采用低通濾波和加權(quán)平均濾波兩種算法的復(fù)合數(shù)字濾波技術(shù)，其輸入輸出關(guān)系如圖5所示。 [align=center] 圖5 數(shù)字濾波器輸入輸出關(guān)系[/align] 　　低通濾波法是根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的特性建立起來(lái)的，其算法為 　　 　　式中，為濾波系數(shù); X（n）為低通濾波輸入值;C（n-1） 為上次低通濾波器輸出值; C（n）為本次低通濾波器輸出值。 　　加權(quán)平均濾波法是對(duì)連續(xù)n次采樣值，分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加和，為了突出最新幾次采樣的效果，加權(quán)系數(shù)一般先小后大。加權(quán)平均濾波的算法為 　　 　　 6結(jié)束語(yǔ) 　　在設(shè)計(jì)中，由于采用了低價(jià)位、低功耗的單總線式數(shù)字溫度傳感器和濕度傳感器模塊來(lái)對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，而且在軟件上采取了一定的抗干擾措施，因此，簡(jiǎn)化了整機(jī)的電路結(jié)構(gòu)，降低了其成本和功耗，提高了其檢測(cè)精度和可靠性。該儀器研制成功后，經(jīng)過(guò)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試，溫度誤差小于±0.6℃，相對(duì)濕度誤差小于±4%RH，試驗(yàn)結(jié)果表明，儀器設(shè)計(jì)合理，性能可靠，完全滿(mǎn)足了應(yīng)用實(shí)際的設(shè)計(jì)要求。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文將計(jì)算機(jī)數(shù)字傳輸技術(shù)與目前兔舍溫濕度監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)狀相結(jié)合，針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備中存在的不足之處，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，并且采用新型的集成芯片設(shè)計(jì)出數(shù)字式濕度檢測(cè)模塊，配合數(shù)字式溫度傳感器，運(yùn)用單總線技術(shù)設(shè)計(jì)出一套全數(shù)字化溫濕度監(jiān)控儀，為了提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性，文中還給出了一種復(fù)合數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]劉建華,吳秋瑞,碩禾等,基于單總線技術(shù)的熱量表的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息， 2005,21（5）:175-176. 　　[2]孟慶浩，翟振鐸.恒溫庫(kù)多點(diǎn)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997,26（4）:102-108. 　　[3]潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003. 　　[4]王大海. 新型溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電子工程師，2002,28（3）:33-36. 　　[5]王幸之，鐘愛(ài)琴，王雷等. AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004. 　　[6]Dallas Semiconductor Corporation.Dallas Semiconductor Data Books[Z],1995.