基于單片機(jī)的土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)-資料下載頁

　　

【正文】 值的補(bǔ)碼，LSB(最低位)℃。將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以2就得到被測溫度值(55℃―125℃)。每只D51820都可以設(shè)置成兩種供電方式即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線，但完成溫度測量的時(shí)間較長；采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線，但測量速度較快。在設(shè)計(jì)中我們需要使用3個(gè)傳感器，然后對(duì)它們的數(shù)據(jù)比較，取中間的數(shù)據(jù)作為最終的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送。這樣可以有效的保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，也可以避免傳感的故障造成數(shù)據(jù)丟失，作為更合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該是將三個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)全部發(fā)送，在接受方通過軟件進(jìn)行分析，這樣可以及時(shí)的了解傳感器的工作情況，發(fā)現(xiàn)某個(gè)不工作時(shí) 可以及時(shí)更換維修。便于網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。DS18B20的讀寫時(shí)序圖如圖425所示，溫度寄存器格式如表29。圖225 DS1820讀寫時(shí)序Fig. 225 Timing Diagrams of DS18B20表29 溫度寄存器格式Table29 Temperature Register FormatLS Bytebit 7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bit 02322212021222324MS Bytebit 15bit 14bit 13bit 12bit 11bit 10bit 9bit 8SSSSS262524（3）空氣溫濕度傳感器：SHT11 是瑞士Ssirion 公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。[13]SHT11溫濕度傳感器的主要特性：將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯；可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出；帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口；具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；具有卓越的長期穩(wěn)定性；濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，可編程為12位和8位；小體積（），可表面貼裝；具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100%互換性。電流消耗,測量時(shí)為550uA，平均為28uA，休眠時(shí)為3uA。圖226 SHT11引腳圖及典型應(yīng)用電路Fig226 SHT11 foot map and typical application circuitSHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，管腳排列及典型應(yīng)用電路如圖226所示。引腳說明如下：GND：接地端；DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線；DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號(hào)提拉至高電平。SCK：串行時(shí)鐘輸入；VDD電源端：～；電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF的電容，用以去耦濾波。NC：空管腳。圖227 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig. 227 Structural block diagram of SHT11工作原理： SHT11的濕度檢測運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測量精度較高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。CMOSensTM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)（如圖227所示）。SHT11的每一個(gè)傳感器都是在極為精確的濕度室中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度值送給二線I2C總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號(hào)。輸出特性：濕度值輸出 SHT11可通過I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值。，SHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按公式4修正濕度值：RHlinear =c1 +c2*SORH +c3*SORH （公式4）式中SORH為傳感器相對(duì)濕度測量值，系數(shù)取值如下:12 位:SORH:c1=，c2=，c3=8 位:SORH:c1=，c2=，c3= 圖228 從SORH轉(zhuǎn)換到相對(duì)濕度Fig228 Conversion from SORH to relative humidity溫度值輸出 由于SHT11溫度傳感器的線性非常好， 故可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值: T=d1+d2*SOT當(dāng)電源電壓為5V，且溫度傳感器的分辨率為14位時(shí): d1 =， d2 =0. 01當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí): d1=， d2 =0. 04露點(diǎn)計(jì)算空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值來得出，具體的計(jì)算公式如下: （公式5） （公式6）命令與接口時(shí)序：SHT11傳感器共有5條用戶命令，具體命令格式見表210所列。表210 SHT11命令集Table 210 SHT11 list of mands命令編碼說明測量溫度00011溫度測量測量濕度00101濕度測量讀寄存器狀態(tài)00111讀狀態(tài)寄存器寫寄存器狀態(tài)00110寫狀態(tài)寄存器軟啟動(dòng)11110重啟芯片,清楚狀態(tài)記錄器的錯(cuò)誤記錄11毫秒后進(jìn)入下一個(gè)命令當(dāng)發(fā)出了溫濕度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210ms的時(shí)間。為表明測量完成，SHT11會(huì)使數(shù)據(jù)線為低，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK，然后傳送兩字節(jié)的測量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和。控制器必須通過使DATA為低來確認(rèn)每一個(gè)字節(jié)，所有的量均從右算，MSB列于第一位。通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC8校驗(yàn)和，則控制器就會(huì)在測量數(shù)據(jù)LSB后保持ack為高以停止通訊，SHT11在測量和通訊完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。需要注意的是：℃，此時(shí)的工作頻率不能大于標(biāo)定值的15%（如:12位精確度時(shí)，每秒最多進(jìn)行3次測量）。測量溫度和濕度命令所對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖229所示。圖229 測量時(shí)序概覽 (TS = 啟動(dòng)傳輸)Fig229 Overview of Measurement Sequence (TS = Transmission Start)寄存器配置： SHT11傳感器中的一些高級(jí)功能是通過狀態(tài)寄存器來實(shí)現(xiàn)的，寄存器各位的類型及說明見表211所示。表211 SHT11狀態(tài)寄存器位Table 211 SHT11 Status Register Bits位類型說明缺省備注7　保留0　6讀工作電壓(低電壓檢查) X　5　保留0　4　保留0　3　只用于實(shí)驗(yàn),不可以使用0　2讀/寫加熱0關(guān)1讀/寫不從OTP重下載0重下載0讀/寫 39。139。=8位相對(duì)濕度,12位溫度分別率 012位相對(duì)濕度 39。039。=12位相對(duì)濕度,14位溫度分別率14位溫度其他說明：測量量程以外的溫度會(huì)使?jié)穸刃盘?hào)暫時(shí)地偏移+3 %。然后傳感器會(huì)慢慢返回到校準(zhǔn)條件。若將芯片在濕度小于5%環(huán)境下加熱24小時(shí)到90℃，芯片就會(huì)迅速恢復(fù)高相對(duì)濕度、高溫度環(huán)境的影響，但是，延長強(qiáng)度條件會(huì)加速芯片的老化。由于大氣的相對(duì)濕度與溫度的關(guān)系比較密切，因此，測量大氣溫度時(shí)的要點(diǎn)是將傳感器與大氣保持同一溫度如果傳感器線路板上有發(fā)熱元件，SHT11應(yīng)與熱源保持良好的通風(fēng)，減少SHT11和PCB之間的熱傳導(dǎo)；避免使傳感器在強(qiáng)光或UV下曝曬。傳感器在布線時(shí)，SCK和DATA信號(hào)平行且相互接近，或信號(hào)線長于10cm時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生干擾信息，此時(shí)應(yīng)在兩組信號(hào)之間放置VDD或GND 。 數(shù)據(jù)顯示有機(jī)電致發(fā)光顯示(OLED)技術(shù)是下一代最有競爭力的平板顯示技術(shù)。目前, OLED的研究重點(diǎn)是提高器件的穩(wěn)定性、發(fā)光效率和高質(zhì)量動(dòng)態(tài)顯示的驅(qū)動(dòng)技術(shù)以達(dá)到實(shí)用化的要求。本設(shè)計(jì)采用OLED顯示屏原因是其功耗低、亮度高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。OLED模塊與CC2430相連接采用I2C總線模式。便于后期軟件實(shí)現(xiàn)和硬件擴(kuò)展（節(jié)約主控模塊CC2430的I/O端口）。應(yīng)用框圖入圖230所示，具體連接方法見附錄一中的原理圖。本次設(shè)計(jì)采用的OLED簡介：顏色：藍(lán)色像素?cái)?shù)：128*64驅(qū)動(dòng)IC：SSD1303對(duì)比度：500：1視角：160度電壓：工作電流：10uA（典型值）工作溫度：20～70℃圖230 OLED應(yīng)用框圖Fig. 230 block diagram of OLED Application 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C系列新品是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM[14]。EEPROM意為電可改寫及可編程只讀存儲(chǔ)器，共有11種型號(hào)。本設(shè)計(jì)中采用的ATC24C08，存儲(chǔ)圖231 AT24C08封裝圖Fig. 231 The package drawing of AT24C08。雖然很小，但已經(jīng)足夠我們使用，這也是考慮設(shè)計(jì)成本。主要的引腳及封裝形式在圖231中已經(jīng)給出，功能見表212。我們可以的到應(yīng)用中的連接配置：A0、AA2以及GND均與電路中的地相連接，VCC接電源（），WP接地，SCL、SDA分別于單片機(jī)的INT0和INT1連接，在CC2430中我們可以使用普通I/O口虛擬INT0和INT1（SCL、SDA需要經(jīng)過10K電阻與電源向連接來穩(wěn)定）。這樣芯片的地址為0。詳細(xì)連接參看附錄。圖232給出了AT24C08的寫時(shí)序。表212 引腳配置Table 212 Pin ConfigurationsPin Name FunctionA0 A2 Address InputsSDA Serial DataSCL Serial Clock InputWP Write ProtectNC No ConnectGND GroundVCC Power Supply圖232 AT24C08寫時(shí)序Fig 232 AT24C08 Written timing 按鍵控制設(shè)計(jì)中提供了上、下、左、右四個(gè)方向鍵和確認(rèn)、取消兩個(gè)功能鍵作為用戶輸入設(shè)備。四個(gè)方向鍵采用 ADC 采樣輸入，功能鍵直接讀取端口電平。電路如圖233所示[15]。詳細(xì)連接參看附錄。圖233 按鍵電路原理圖Fig 233 Circuit principle picture of the button3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)是以C語言來進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，目的是為了便于日后擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)部分（ZigBee協(xié)議棧），軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡潔明了。使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。整體設(shè)計(jì)采用菜單的方式。可以設(shè)置相應(yīng)的功能。配合按鍵實(shí)現(xiàn)完善的功能和簡潔的人機(jī)對(duì)話方式。 各功能模塊軟件程序設(shè)計(jì)模塊化的程序包括數(shù)據(jù)采集、收發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、時(shí)鐘及主程序幾個(gè)部分。其中使用的串行通信包含了三種總線模式：DS18B20為單總線模式，OLED顯示、SHT11使用的是I2C總線模式，MAX1301使用的是SPI總線模式。數(shù)據(jù)采集：土壤濕度采集主要是配置ADC的工作，通過設(shè)置的SPI總線模式完成數(shù)據(jù)的采集工作。這里面還包含定時(shí)器設(shè)置，我們要定時(shí)開啟ADC和傳感器（通過繼電器控制）采集數(shù)據(jù)。其中的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要與計(jì)算機(jī)平臺(tái)配合使用。當(dāng)獲得數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系后，加入到程序中，通過查表顯示最終的濕度數(shù)據(jù)。土壤溫度部分利用單總線模式與CC2430通信，溫度與數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)參看表31。SHT11用I2C總線與CC2430通信。表31 溫度數(shù)據(jù)關(guān)系Table 31 Temperature Ture/Data RelationshipTEMPERATUREDIGITAL OUTPUT (Binary)DIGITAL OUTPUT (Hex)+125176。C0000 0111 1101 000007D0h+85176。C*0000 0101 0101 00000550h+176。C0000 0001 1001 00010191h+176。C0000 0000 1010 001000A2h+176。C0000 0000 0000 10000008h0176。C0000 0000 0000 00000000h176。C1111 1111 1111 1000FFF8h176。C1111 1111 0101 1110FF5Eh176。C1111 1110 0110 1111FE6Fh55176。C111