環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)

孫 燕，鄔天達，朱鵬健

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1 項目簡介

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以分為溫濕度采集模塊、濕濃度轉(zhuǎn)化模塊、數(shù)據(jù)顯示及報警模塊，通訊模塊四部分。具體實施過程：首先通過PC機設(shè)定溫度、濕度、濃度三個物理量相應(yīng)的閥值，傳送給MCU。然后使用DS18B20、HS1101相應(yīng)的傳感器、MQ-7一氧化碳檢測模塊等，分別對溫度、濕度、一氧化碳濃度進行采集，將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后傳送給MCU。然后MCU將當(dāng)前測得值送到LCD1602，實時直觀的顯示出來。同時MCU判斷當(dāng)前值與預(yù)設(shè)值的大小關(guān)系，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閥值時，蜂鳴器報警，提示人們采取措施。最后，為了滿足對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理（如統(tǒng)計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等）的需要，本項目特增加了上位機存儲顯示，將數(shù)據(jù)從檢測裝置送至計算機，供以后數(shù)據(jù)的深入處理。

2 硬件設(shè)計

主要環(huán)節(jié)：通過PC機輸入三個物理量相應(yīng)的閥值，傳送給MCU。用按鍵選擇分別進行溫度、濕度、濃度的采集。

當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閥值時，蜂鳴器報警。將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給MCU，如圖1所示。

圖1 硬件總體框圖

為了對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理（如統(tǒng)計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等），需將數(shù)據(jù)從檢測裝置送至計算機。

2.1 溫度檢測模塊

（1）DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理：DS18B20主要由4部分組成：電壓范圍寬，3.0V~5.5V，轉(zhuǎn)換速率快，在9位分辨率時最多在93.75mS內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，在12位分辨率時最多在750mS內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，內(nèi)有64位ROM、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

DS18B20具有兩種溫度存儲方式；9位和12位存儲。9位存儲時最小位為0.5，12位存儲時最小位為0.0625。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二進制補碼形式存在高速緩存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時，低位在前，高位在后。

（2）溫度傳感器DS18B20與單片機的連接方式：一種是寄生電源供電方式。在這種供電方式中，DS18B20的VDD和GND連接，DQ和單片機的一個I/O口連接，并設(shè)一個4.7K的上拉電阻。DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）供電。

另一種是外部電源供電方式，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O口線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。

其中外部供電方式是DS18B20的最佳工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 DS18B20與單片機連接方式

2.2 濕度轉(zhuǎn)換模塊

電容型濕度傳感器hs1101基于獨特工藝設(shè)計，其可以工作在-40℃ ～+100℃范圍內(nèi)，而且電容值與濕度具有較好的線性度。

圖3 濕度轉(zhuǎn)換模塊

圖3電路為典型的555非穩(wěn)態(tài)電路。HS1101作為電容變量接在555的TRIG與THRES兩引腳上，引腳7用作電阻R4的短路。等量電容HS1101通過R5與R4充電到門限電壓約0.67Vcc，7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成對電容的放電回路，構(gòu)成一個典型的多謝振蕩器。輸出端為一固定頻率方波。其工作循環(huán)可以描述如下：

T_high=C@%RH*(R2+R4)*ln2T_low=C@%RH*R2*ln2

為了使循環(huán)時間降低50%，則與R4相比R5應(yīng)該非常小但是不要低于最小值,電阻R7是為了短路保護。555必須為CMOS。

輸出頻率F與濕度之間關(guān)系:

RH(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100頻率（Hz） 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033

2.3 一氧化碳濃度測量轉(zhuǎn)換模塊

圖4 一氧化碳測量模塊

上圖是一氧化碳濃度檢測模塊，3為模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。2為TTL輸出，其有效信號為低電平，可直接接到單片機I/O口。

上述一氧化碳濃度檢測模塊主要由LM393、QM-N10氣體傳感器等芯片構(gòu)成。ZYMQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體,最常用的如SnO2。金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動。

當(dāng)一氧化碳濃度升高時，電阻值減小，經(jīng)過和R2分壓，可知道2端模擬輸出電壓增大，輸入到LM393電壓比較器芯片，輸出TTL電平0或1，然后輸入到單片機進行檢驗。項目實際操作中，將2端的模擬電壓輸入到ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到單片機，通過單片機判斷其對應(yīng)的濃度值，再送到LCD1602顯示。

3 結(jié)語

在很多領(lǐng)域里，需要對這些環(huán)境參量做到精確測量。如:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科學(xué)的控制上述三種參數(shù)，可以使農(nóng)作物更好的生長，增產(chǎn)增收，取得更好的經(jīng)濟效益。因此，本項目的設(shè)計具有廣泛的應(yīng)用前景。運用所學(xué)，將理論知識用于實踐，增強思考和動手能力。同時，本項目組齊心竭力，深刻體會到團隊合作的重要性。

[1]沈建華.MSP430系列16位低功耗單片機原理與應(yīng)用[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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[3]高翔，陳志輝.基于MSP430F1232的溫濕度檢測系統(tǒng)[J].電子元器件應(yīng)用，2007，（3）.