基于數(shù)字傳感器的兔舍溫濕度監(jiān)控儀

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，隨著國際市場的暢通和國內(nèi)消費(fèi)市場對(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，由檢測模塊（含溫度檢測和濕度檢測）、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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)，操作人員可以通過鍵盤向系統(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)后在測量現(xiàn)場直接將其轉(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檢測電路原理

　　溫濕度檢測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)拉向兔舍測量現(xiàn)場，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。

圖2 檢測電路原理圖

　　3.1溫度檢測電路

　　對(duì)兔舍溫度信號(hào)的檢測，本系統(tǒng)選用了DS1825型溫度傳感器。DS1825是美國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)的溫度測量。為了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們通過地址輸入引腳AD0、AD1、AD2和AD3的不同組合來提供六種工作方式。

　　3.2濕度檢測電路

　　濕度檢測電路部分，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專利濕敏電容HS1101設(shè)計(jì)制造，其測濕范圍為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信號(hào)在測量現(xiàn)場就被直接轉(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。

圖3 系統(tǒng)硬件電路配置

　　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LED的位選通信號(hào)。位選通信號(hào)同時(shí)作為鍵盤列掃描碼，鍵盤掃描的行數(shù)由74HC245讀回，74HC374輸出的列掃描碼經(jīng)74HC245讀入后，用來判斷是否有鍵按下，以及按下的是什么鍵。如果沒有鍵按下，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)程序用來對(duì)整個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行過程控制。

　　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。

圖4 DS2450操作軟件流程

　　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)場使用，而現(xiàn)場環(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。考慮到測量對(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。

圖5 數(shù)字濾波器輸入輸出關(guān)系

　　低通濾波法是根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的特性建立起來的，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

　　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對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行檢測，而且在軟件上采取了一定的抗干擾措施，因此，簡化了整機(jī)的電路結(jié)構(gòu)，降低了其成本和功耗，提高了其檢測精度和可靠性。該儀器研制成功后，經(jīng)過在實(shí)際現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)、測試，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)。

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