0 前言
人工氣候室是在環(huán)境試驗(yàn),、科學(xué)研究（諸如種養(yǎng)殖,、植保、組培,、生物工程）等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,。它能模擬自然界的各種氣象條件，按照實(shí)驗(yàn)要求精確控制室內(nèi)的溫度,、濕度、光照以及CO2等指標(biāo),，復(fù)現(xiàn)各種氣候環(huán)境,。為研究不同物種的生長(zhǎng)、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(yīng)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(xué)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(gè)人工環(huán)境,?？諝馕廴荆苯油{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(dǎo)致神經(jīng)衰弱；溫度過熱,、過冷,，導(dǎo)致人的不適，耗費(fèi)電能,；空氣過濕,，將使人們感到沉悶和窒息；空氣過燥,，又會(huì)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(dòng)控制這個(gè)最常見的空間,，人的生活將更舒適,。所以說，這是一個(gè)很有發(fā)展前途的課題,，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研制[3],、 [5]。本文也就其中最難測(cè)量的物理量——濕度進(jìn)行研究,。
1 濕度檢測(cè)的原理無線
本系統(tǒng)通過單片機(jī)AT89C51[1]及其各種接口電路來實(shí)現(xiàn)濕度的檢測(cè),。其工作原理是: 電容式相對(duì)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(hào)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換電路將變化的電容轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的變化的電壓,，再由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入到單片機(jī)中,，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理并通過查表得到實(shí)際測(cè)量的濕度值，之后通過單片機(jī)的各外部接口電路顯示該濕度值,，或通過其與上位機(jī)的接口把此值送入到上位機(jī)進(jìn)行保存及打印等操作,。
2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能設(shè)計(jì)
圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，其中下位機(jī)以單片機(jī)AT89C51為核心,，配以濕度檢測(cè)和傳送電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器電路,、時(shí)鐘電路,、看門狗復(fù)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(duì)濕度傳感器[2]，它采用電容式濕度敏感元件,，其特點(diǎn)是尺寸小,、響應(yīng)時(shí)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(duì)濕度為0％~100％RH范圍內(nèi)，電容量由162pF變到200pF時(shí),，其誤差不大于±2％RH,，而且響應(yīng)時(shí)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(jī)作為檢測(cè)儀的核心部分,。主要負(fù)責(zé)將A/D轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送至LED顯示模塊實(shí)時(shí)顯示,；響應(yīng)鍵盤輸入，查看或修改用戶設(shè)定的濕度上限值,。文獻(xiàn)[4]采用DSP實(shí)現(xiàn)了溫濕度控制器的設(shè)計(jì),，但是由于DSP的價(jià)格較高，不宜應(yīng)用在各種場(chǎng)合中,。
2.1 A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，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(chǔ)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(zhǔn)電壓輸入,，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍,，總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSB Max（4.8mV）等特點(diǎn),。它通過一個(gè)三態(tài)輸出端（DATAOUT）和2個(gè)輸入端（包括I/OCLOCK（I/O時(shí)鐘）和CS（片選））與AT89C51的P10～P12接口相連，這樣不僅簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，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(fù)位
看門狗復(fù)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(fù)位功能,、電源電壓監(jiān)控功能于一身，這種組合大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì),，降低了成 本和系統(tǒng)功耗,。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，在選定的超時(shí)時(shí)間之后,，X25045的看門狗將以RESET信號(hào)作為響應(yīng),，利用X25045低VCC檢測(cè)電路,，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓的影響；當(dāng)VCC降到最小VCC轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí),，系統(tǒng)復(fù)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(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，需要將數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳送至計(jì)算機(jī),。AT89C51具有串行通訊接口（SCI） , SCI是為能與CRT終端及計(jì)算機(jī)等外設(shè)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(shí)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(jī)的串行口是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口,，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C51在接口時(shí)會(huì)產(chǎn)生電平不同的問題。因此PC機(jī)和AT89C51單片機(jī)串行通信便可以順利進(jìn)行,。
2.4 鍵盤控制
鍵盤電路是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的人機(jī)接口電路,，用它可以完成濕度值的設(shè)定、移位,、加1,、減1、清零,、前翻頁(yè),、和后翻頁(yè)等功能。但它往往要占用較多的I/O端口,。在本濕度檢測(cè)系統(tǒng)中,，除了把一個(gè)獨(dú)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(duì)I/O端口的占用,。
這種電路可以使按鍵次數(shù)達(dá)到16個(gè)，其軟件處理使用了端口訪問和掃描檢測(cè)兩種方法,，同時(shí)由于采用了組合邏輯來直接對(duì)端口進(jìn)行讀取,，因此極大地簡(jiǎn)化了程序的處理過程，同時(shí)也節(jié)省了寶貴的存儲(chǔ)器和CPU運(yùn)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(jì)還要進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)顯示，所以設(shè)計(jì)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(yáng)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(jī)串行口工作方式為0,，即為8位移位寄存器,，TXD為同步信號(hào)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(dòng)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(huì)不斷變化,，故在某些使用場(chǎng)合，在74LS164與輸出裝置之間還應(yīng)加上可控的緩沖級(jí)（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(dǎo)通與截止和LM317，來控制顯示器（LED）共陽(yáng)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(shí)顯示器亮,。由于74LS164在低電平輸出時(shí),，允許通過的電流可達(dá)8mA，故不需要再加驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘控制
系統(tǒng)時(shí)鐘由實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片PCF8563提供,，該芯片是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含I2C 總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報(bào)警功能,、定時(shí)器功能,、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù),。內(nèi)部時(shí)鐘電路內(nèi)部振蕩電路內(nèi)部低電壓檢測(cè)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(jiǎn)潔，而且也增加了芯片的可靠性,。
為了使單片機(jī)在將濕度值提供給顯示器顯示的同時(shí)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(kuò)展了一片16K的ATMEL公司的E2PROM存儲(chǔ)卡——AT24C16。單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集處理后，讀取PCF8563時(shí)間數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)據(jù)一同存儲(chǔ)到AT24C16中,。
2.7 電源控制
電源電路是給電子設(shè)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(shè)計(jì)穩(wěn)壓部分時(shí),，根據(jù)電路對(duì)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(shí)器（X25045）,、三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器（LM317）、單片機(jī)（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(cè)量電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器對(duì)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(zhǔn)電壓（REF+）對(duì)電源要求非常高,，所以采用精密基準(zhǔn)電壓源（LM336-5.0V）供電。
3 濕度檢測(cè)和傳送電路的設(shè)計(jì)
濕度檢測(cè)和傳送電路的作用是將被檢測(cè)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(cè)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(gè)高增益的運(yùn)算放大器/比較器，內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計(jì)使用充電泵技術(shù),，對(duì)低紋波具有頻率倍增功能,。雖然如果對(duì)頻率量f直接由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行頻率檢測(cè)，而省去f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換是可行的,。但對(duì)于電容放大后,，使得7555時(shí)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(cè)頻計(jì)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(dòng)。造成測(cè)量誤差而影響精度,。因此本檢測(cè)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(shè)計(jì)
濕度檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)智能化的系統(tǒng)，它的軟件所完成的功能主要包括：
① 采樣：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51能夠控制TLC1549正常工作采樣的采樣程序。
② 顯示：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51把采樣來的數(shù)據(jù) 經(jīng)過濾波,、二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換并以十進(jìn)制4位精度顯示的程序,。
③ 通信：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51能夠把顯示的數(shù)據(jù)通過串行通信口傳送到管理級(jí)的上位IBM-PC機(jī)，然后上位機(jī)把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)濕度傳感器,，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，濕度測(cè)量范圍為0～100%RH,。系統(tǒng)還充分利用了AT89C51單片機(jī)自身的軟硬件資源,，具有智能化、可編程,、小型便攜等優(yōu)點(diǎn),，因此只要選用不同的濕度傳感器，并修改相應(yīng)的軟件控制程序,，本檢測(cè)系統(tǒng)就可應(yīng)用在環(huán)境保護(hù),、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(yīng)用前景,。由于該系統(tǒng)主要是濕度的檢測(cè)而涉及濕度的控制比較少，所以在控制方面有待進(jìn)一步研究,。
參考文獻(xiàn)
[1] 余永權(quán). ATMEL89系列單片機(jī)——應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出社,，2002.4
[2] 單成祥. 傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.8
[3] Takakura. Climate control to reduce energy inputs[J]. Acta Hort. 1989(245):406-415
[4] 黃德勝,、吳星明,、劉敏. 基于DSP的數(shù)字化溫濕度智能控制器設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2003,19(5):18-26
[5] 金偉正. 溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)的研制[J]. 電子與自動(dòng)化. 2000(2):25-27