摘要：采用16位單片機SPCE061A作為控制核心，選用DS18B20溫度傳感器和HS1101濕度傳感器構建了一個低功耗電子溫度和濕度測量系統(tǒng)。由液晶屏顯示溫度和時間，按鍵可進行語音播報，溫度分辨率為0.1℃，濕度測量精度為±5RH%。通過RS232可在PC機端記錄測量值，查詢歷史值，實時描繪當前溫度和濕度變化曲線。
　　關鍵詞：SPCE061A，溫濕度測量，低功耗
　　在實驗室中，需要對溫度、濕度等環(huán)境指標進行檢測，以便確認儀器設備的使用環(huán)境，提高實驗的精確度，同時為實驗室的科學管理提供依據(jù)。本系統(tǒng)采用了16位單片機和溫濕度傳感器來作為控制器和采集器，通過軟硬件聯(lián)合設計達到了測量精度高、操作簡單、使用方便的效果。由于平時處于睡眠狀態(tài)，只在按鍵喚醒或按鍵播報時才進行測量，功耗很低，整個系統(tǒng)用三節(jié)五號電池供電可長期工作，較好的滿足了實驗室的需求。
　　一、系統(tǒng)總體設計
　　系統(tǒng)以SPCE061A單片機為控制核心，將溫度、濕度傳感器采集的數(shù)值經控制部分處理后由液晶顯示。由時鐘芯片對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時并顯示。并能進行語音播報當前溫度、濕度，超過設定值時聲光報警。延時5分鐘后可自動進入睡眠，按鍵喚醒，在睡眠狀態(tài)時由于關閉所有外部功能模塊，單片機的系統(tǒng)時鐘也設定為弱振模式，功耗極低，靜態(tài)只有5μA。通過串口和上位機端軟件可與上位機通訊，記錄當前溫度、濕度值，顯示實時變化曲線，查詢歷史紀錄等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
　　二、各模塊的設計
　　1、溫度傳感器
　　溫度的測量一般是通過溫度傳感器，將溫度轉換為電信號，測量并顯示被測量點的溫度，溫度傳感器可分為3大類。
　�。�1）熱電偶式
　　熱電偶式具有構造簡單,適用溫度范圍廣，使用方便,承受熱機械沖擊能力強以及響應速度快等特點，常用于高溫區(qū)域，振動沖擊大等惡劣環(huán)境以及適合于微小結構測溫場合，但其信號輸出靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾和前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。
　�。�2）電阻式
　　電阻式可用來測量-220~850℃范圍內的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至-272℃，高溫可測量至1000℃，互換性差，非線性嚴重，在腐蝕介質中使用時，易氧化，因此，只能用于低溫及無腐蝕性的介質中。雖然測量溫度范圍廣，但熱穩(wěn)定性差。
　　（3）數(shù)字式
　　數(shù)字式具有功耗低，精度高，抗干擾能力強，不需復雜的信號調整電路和A/D轉換電路便能直接與單片機完成數(shù)據(jù)采集和處理，測量溫度范圍廣，反應迅速，分辨率高(可達0.1度)，內置ADC數(shù)字輸出。
　　2、濕度傳感器
　�。�1）電子式濕度傳感器
　　電子式濕度傳感器的準確度可以達到2％~3％RH。在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會產生老化，精度下降，濕度傳感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。電子式濕度傳感器的精度水平要結合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，電子式濕度傳感器的長期穩(wěn)定性和使用壽命都不是很好。
　�。�2）電容式濕度傳感器
　　利用濕度傳感器和一個固定電阻串聯(lián)，與SPCE061A的IOB2和IOB4連接，形成RC反饋電路，即SPCE061A的Feedback電路，利用SPCE061A的Feedback功能，實現(xiàn)濕度傳感器從電容到頻率的轉換，SPCE061A讀取Feedback電路的工作頻率后，又轉換成電容，根據(jù)電容值計算得到濕度值。
　　3、時鐘模塊
　　可直接采用單片機定時計數(shù)器提供秒信號，通過編程序用軟件實現(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒。采用此種方案不需另外增加芯片，使硬件電路簡單，節(jié)約成本，但是時間誤差較大，且斷電計時停止。這里采用了DS1302時鐘芯片實現(xiàn)時鐘，DS1302是美國達拉斯半導體公司最新推出的時鐘芯片，采用CMOS技術制成，把時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關電路集于芯片內部，采用DS1302芯片設計的時鐘電路勿需任何外圍電路并具有良好的微機接口。DS1302芯片具有超低耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩(wěn)定可靠，能夠計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能等優(yōu)點，而且具有定時中斷、周期性中斷、時鐘更新周期結束中斷等特點，故廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘場合。
　　4、顯示模塊
　　采用液晶顯示屏，具有輕薄短小，平面顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，能顯示漢字及各種符號，可以繪制曲線和簡單的圖像，分辨率高，抗干擾能力強和顯示形式靈活等優(yōu)點。
　　三、各單元電路的實現(xiàn)
　　1、溫度采集電路
　　采用寄生電源供電，DS18B20與單片機的接口電路如圖2所示。R為上拉電阻。采集到的溫度信號經DS18B20轉換成電信號后經2腳送到單片機內進行處理。DS1820輸出值是16位符號擴展的二進制補碼形式，以0.0625℃/LSB格式表達，其中S為符號位。例如：+125℃的數(shù)字輸出為07D0H。它的溫度表示如下表所示。
　　23    22    21    20    2-1    2-2    2-3    2-4
　　LSB
　　
　　MSB(unit=℃)LSB
　　S    S    S    S    S    26    25    24
　　MSB
　　
　　2、濕度的采集電路
　　濕度傳感器HS1101是電容式的，可以利用SPCE061A的Feedback功能測得HS1101所在RC電路的工作頻率，計算得到它的電容，再由電容值換算得到濕度值。為了減小誤差，利用固定電容器C1和電阻R1構成另一個Feedback電路，作為濕度傳感器HS1101的基準。根據(jù)HS110的參數(shù)，工作頻率在10KHz時誤差最小，選擇電阻R2為620KΩ，和HS1101形成Feedback1。電容C1為390pF，和620KΩ的電阻R1形成Feedback2。電路如圖3所示。
　　3、串行口通信
　　當單片機與上位PC機進行通信時，串行口是一個很好的途徑，由于SPCE061A串行口使用的是TTL電平，而PC機的串行口使用的是RS232電平，為了使其能正常通信需要一片電平轉換芯片MAX232作電平轉換驅動，通信速率為9600波特率。與SPCE061A的串口通信電路如圖4所示。
　　四、系統(tǒng)軟件設計
　　系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊，鍵盤掃描識別模塊，DS18B20溫度采集模塊，HS1101濕度采集模塊，LCD顯示器與實時時鐘模塊，串行通信模塊和中斷服務程序組成，主程序流程如圖5所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　圖5流程圖
　　
　　參考文獻
　　【1】李朝青單片機原理及接口技術北京航空航天大學出版社2005.10
　　【2】沙占友智能化集成溫度傳感器原理與應用機械工業(yè)出版社2002.7
　　【3】張洪潤傅瑾新傳感器應用電路200例北京航空航天大學出版社2006.8

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