1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。本方案采用分別設(shè)計溫度和濕度采樣電路的方法，將集成溫度傳感器AD590采集得到的電流信號和濕度傳感器HM1500采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為給定范圍內(nèi)的電壓信號。然后由單片機MSP430F1232的AD采樣端口將該電壓信號讀入，如果溫度小于門限值或者濕度大于門限值就給出報警信號。門限值可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)定。同時，系統(tǒng)還可以通過中斷方式按給定協(xié)議將采集到的溫濕度值送給上位機。

2 器件選擇

2.1 MSP430F1232單片機

MSP430系列單片機是TI公司推出的功能強大的超低功耗16位混合信號處理器。該系列單片機以其極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式等特點，被廣泛應(yīng)用于便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制等領(lǐng)域。為了最大限度地利用單片機端口和片內(nèi)外設(shè)并降低設(shè)計成本，本設(shè)計選用MSP430F1232，該單片機有3個并行端口，一個RS485串行通訊口，同時內(nèi)置10位AD采樣器，可完全滿足溫濕度采樣的精度要求。

2.2 AD590溫度傳感器

AD590是美國AD公司生產(chǎn)的二端式集成溫度一電流傳感器，該器件體積小、重量輕、性能穩(wěn)定。測溫范圍為-50～+150℃；線性電流輸出為1μA／K；線性度好，測量精度為0.3℃；電源電壓范圍為4～30 V。當(dāng)電源電壓在5～10 V之間，電壓穩(wěn)定度為1％時，其誤差只有0.1℃。

2.3 HM1500濕度傳感器

線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500采用獲得專利的濕敏電容HS1101設(shè)計制造，其濕度測量范圍為5％～99％(相對濕度)；相對濕度精度為3％；工作溫度為-30～+60℃；工作濕度范圍為0～100％(相對濕度)；供電電壓為5V(最大電壓DC16V)；可輸出DC電壓為1～4 V；響應(yīng)時間為5s，適用于工業(yè)級場合。

3 信號調(diào)理電路設(shè)計

3.1 溫度測量電路設(shè)計

考慮到AD590溫度傳感器的輸出電流源特性，設(shè)計的溫度信號測量電路如圖2所示。該電路的溫度測量范圍為-10～+500℃。AD590采用15V電壓供電；電阻R1用于調(diào)整零點；電阻R3為精密電阻，用來調(diào)整增益。運放的同向端輸入2.50V精密參考電壓，該電壓由TL431提供。IN端輸入AD590的電流，OUT端輸出為相應(yīng)轉(zhuǎn)換所得到的電壓。根據(jù)AD590的特性，在-10℃時，流過電流為262.2μA，設(shè)計使這部分電流全部流過R1、R2，而其后增加的電流均流過R3，OUT端的輸出電壓為：

當(dāng)溫度在-10～+50℃之間變化時，該電壓就在2.5～0V之間反向線性變化，調(diào)節(jié)R1的阻值大小可以消除不同傳感器的零點誤差。

3.2 濕度測量電路設(shè)計

集成濕度傳感器HM1500的輸出電壓在1～4 V間隨濕度線性變化，考慮到本系統(tǒng)的單電源特點，設(shè)計的濕度信號采集電路如圖3所示，該電路的測濕范圍為0～100％。

由于該電路中沒有負(fù)壓，電路的主體采用差分式減法電路，精密電阻R3=R6=2.4kΩ，R4=R7=2kΩ，用這四個電阻可調(diào)節(jié)增益。通過HM1500傳感器測量所得到的濕度電壓信號從IN端輸入。差分的另一側(cè)輸入Vs。由TL431提供2.5 V的精密電壓分壓后可得到1.0 V左右的電壓。并由此可以得到輸出電壓的計算公式為：

若輸入電壓在1～4 V之間變化，則輸出電壓就相應(yīng)在0～2.5 V之間變化。調(diào)節(jié)R1可以消除不同的濕度傳感器的零點誤差。

4 顯示存儲和串行通訊電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用3個獨立按鍵和四位七段數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示的方式，數(shù)據(jù)存儲采用。EEPROM芯片AT24C02來存儲設(shè)定的溫濕度傳感器地址、溫濕度報警門限值，以及報警記錄。采集到的各種數(shù)據(jù)和存儲的報警信息可以按照指定的協(xié)議傳送給上位主控制器進(jìn)行處理。

圖4所示是該系統(tǒng)中的按鍵顯示、數(shù)據(jù)存儲和串行通訊電路。圖中，當(dāng)單片機從ADIN1和ADIN2口采集到溫濕度數(shù)據(jù)以后，首先把濕度值送到數(shù)碼管顯示，同時點亮濕度指示燈，表示現(xiàn)在顯示的是濕度。通過按2號鍵和3號鍵可以切換溫濕度顯示，其中2號鍵顯示濕度，3號鍵顯示溫度，顯示溫度時同樣會點亮相應(yīng)的指示燈。如果檢測到溫濕度超過門限，則點亮報警燈，以表示數(shù)據(jù)超限。按1號鍵可以進(jìn)行相應(yīng)溫濕度門限和傳感器地址的設(shè)定。數(shù)據(jù)設(shè)定完成以后，可通過兩個IO口編程模擬I2C總線協(xié)議以把數(shù)據(jù)存入指定位置，從而使斷電后再開機時，數(shù)據(jù)能正常讀出。由于單片機IO口有限，該系統(tǒng)又采用兩片SN74HC373芯片擴(kuò)展了8個IO口以滿足設(shè)計要求。為了保證電平兼容，這部分電路均采用3.3V電壓供電。數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換完成以后，系統(tǒng)可直接通過單片機的UASRT(異步串行通訊口)接到MAX3485通訊芯片，以便按照指定的協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給上位機。

5 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言編寫，主要通過MSP430F1232單片機的10位AD采樣模塊讀人端口溫濕度電壓信號，并按照相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)化成實際溫濕度數(shù)值并存儲。然后根據(jù)需要將其送到數(shù)碼管顯示或者通過RS485串口送給上位機。另外，該軟件還可進(jìn)行模擬I2C總線的數(shù)據(jù)存儲。

圖5為該系統(tǒng)的主循環(huán)流程。系統(tǒng)上電以后，首先讀取存在EEPROM中的地址和溫濕度門限值，然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行溫濕度信號采樣，接著對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲，同時在循環(huán)中對按鍵標(biāo)志位進(jìn)行判斷。如果被置位，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵處理。

圖6為該系統(tǒng)的定時器中斷流程。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷以后，首先通過判斷相應(yīng)的IO口輸入電平是否跳低來判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，則進(jìn)一步判斷是哪一個鍵，接著存儲該鍵位并將按鍵標(biāo)志位置位。之后再調(diào)用顯示刷新程序，將最新采集到的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示。最后判斷采集到的數(shù)據(jù)是否超出門限，并相應(yīng)點亮指示燈或者報警燈。執(zhí)行完以上操作后中斷返回。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)最大的特點是測量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試使用方便、性價比高、可以單獨使用，也可以和上位機連接。為了確保整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)還用硬件設(shè)計上采用了單片機上電復(fù)位電路，而在軟件設(shè)計中則加入了看門狗和軟件陷阱。實驗證明，該裝置運行可靠，測量誤差小，具有很好的應(yīng)用效果，因此，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中對溫度或者濕度有超限報警要求的場合。