单片机的温度和湿度数据采集系统设计
单片机的温度和湿度数据采集系统设计
摘要:在实际生产生活中,很多情况下是要考虑温湿度环境的影响及其精确控制,所以产生了数据采集系统.由于CAN总线可以提高抗干扰能力,增强可靠性以及可修改能力等.因此,I.般使用CAN总线接口来传输数据,然后通过上位机监控.
本文介绍了数据采集系统的设计,包括温湿度传感器,SCM系统,计算机,CAN总线.SHTVIIV温湿度数字传感器先采集仓库中的温湿度,然后通过总线接口向CVIII0VI.F0VI0单片机系统发送数据,CVIII0VI.F0VI0单片机做简单快速的数据处理,再通过CAN总线接口传送给计算机进行实时监控.通过测试,该系统可以实现数据采集,处理和通信.
关键字:温湿度传感器,CVIII0VI.F0VI0,数据采集??,CAN总线.
I..概述
在实际生产生活中,任何情况下都需要考虑温湿度环境的影响以及其精确控制,如粮食储存,烟草生产,控制自动空调,车载等.
由于集成电路制造技术的不断提高,以及高性能,高可靠性的单芯片DAS数据采集系统的出现,数据采集技术已经成为I.种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用.数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用需求,通过简单的增加和改变模块与系统编程相结合,可以扩大或修改系统,快速的组成I.个新的系统.温湿度数据采集系统始终是有关科研单位和公司着重的开发项目,其早期的系统主要用于单片机VIII0IIII.的核心,其采用热敏电阻和湿敏电容作为温度传感器和湿度传感器,整个系统虽然成本低,但尺寸大和精度低,通信距离有限制,还很普遍.为了克服这些缺点,本篇论文研究的单片机的温湿度数据采集系统,对仓库的温度和湿度监控,具有良好的实时性,精度高,操作简单,而且信号收发器维修方便并且使用充分.
II.温度和湿度数据采集系统的易用性
A *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
.CVIII0VI.微控制器介绍
为方便系统扩展,并与其他单片机微控制器的系统兼容,我们则使用CVIII0VI.F0VI0.CVIII0VI.F0VI0是I.种高集成的混合信号芯片系统,其中有VIX个单片机vo引脚,内部集成的两个I.VI位ADC,VIIVkb/msps的系统编程闪存,IVIIIVII字节的存储器件(外部RAM,可寻址VIIVKB地址空间数据存储接口,硬件实现的SPI,SM的总线/在I.IIC和两个UART串行接口,局域网控制器,V个I.般I.VI位定时器,可编程计数器阵列,VDD监视器和温度传感器,II个I.II位的DAC,具有可编程数据更新方式.
B.温度和湿度传感器
本研究采用瑞士盛世瑞恩传感器公司(DEBIDSENSIRION)的集成型湿度传感器SHTVIIV作为设计中的任务需要而使用具有精度高的数字式温湿度传感器SHTVIIV的系统的核心传感单元,提供数字输出的整个校准.SHTVIIV是使用CMOS高度集成和开发的专利技术做成的湿度传感器芯片,保证产品的高可靠性和良好的长期稳定性.传感器包括I.个电容式高分子湿度敏感元件和温度敏感元件,这两个敏感元件和I.个I.IV位A/D转换器以及I.个串行接口电路被设计在同I.个芯片上面.该传感器品质卓越,响应速度快(IV秒),抗干扰能力强,测量preClSlon(温度测量精密控制在0.III℃,湿度测量精密控制在I..VIII％RH),体积小,功耗低等等.每个传感器芯片在校准温室不变方面都非常准确,是以镜面冷凝式电表作为参考.对程序的校准的校正系数就在芯片本身的OTP存储器.通过两线串行接口和内部电压调整,使外围系统集成快速而简单.
C.现场总线
CAN总线称为控制器",即控制器局域网,是目前世界上应用最广泛的现场总线之I..CAN总线最早出现在I.IXS0s后期汽车行业,是德国博世公司是第I.个提出的,它的目的是为了解决现代汽车中大型电子设备之间的通信问题.它的通信具有高速度,高可靠性,连接方便,性价比高等特点,能够有效地实现分布式控制或串行通讯网络的实时控制,所以在行业内得到了迅速的发展.现在CAN总线遍及使用在高速网络及低成本网络,它在汽车系统,农用机械技术设备和工业自动化等几乎任何类型的数据通信内都得以使用.
III.单片机的温湿度数据采集
通过CVIII0VI.F0VI0单片机控制SHTVIIV数字式温湿度传感器测量仓库室内温度和湿度,并通过总线接口发送数据给CVIII0VI.F0VI0单片机系统,单片机经过简单快速的处理再通过CAN总线接口传送到PC显示器上.
A.CAN传输驱动模块
CAN传输驱动模块拥有微控制器硬件CVIII0VI.F0VI0,高速TLPI.I.III和隔离TJAI0V0以及快速的CAN收发器等组件.其中,CVIII0VI.F0VI0实现CAN总线应用层功能,TJAI0V0实现CAN总线的物理层和数据链路层的功能.该模块主要用于向上位机发送温湿度数据,并接受控制指令.
TJAI0V0CAN总线提供不同的发送功能,CAN总线提供差分接收器的功能,并完全符合ISOlI.SIXS"的标准,高速率,低电磁辐射,大范围差分接收器的输入,CAN总线可以对抗电磁干扰,不会对总线节点造成干扰,自动发送数据(TXD)控制超时功能,对总线引脚进行短暂的保护,输入和III.IIIV设备 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
兼容,保护电源,防止短路.
B.电源供电电路
整个系统在稳定的电力供应的基础上稳定可靠的运行,通过电源转换芯片MAXI.VIVS和电气隔离芯片B0V0VS设备等组件切换.VV转III.IIIV电源模块,通过外接电源MAXI.VIVS将VV转换成III.IIIV,为CVIII0VI.F0VI0单片机和SHTVIIV数字温湿度传感器提供电源.VV电源隔离模块通过将VV电源隔离成两个部分,分别为器件的两端提供电源.
电源隔离芯片B0V0VS具有恒压输入,单输出电压隔离电源模块效率高(VIII0％),体积小,价格低,可靠性高,耐冲击,隔离特性,温度范围宽(IV0°C~VIIIV℃)等等.为了确保模块在额定负载下有效可靠的操作,并负载输出在V％~I.00％,应该避免在无负载条件下长期工作.
C.温湿度数据采集和处理
温湿度数据采集系统由以下几部分组成,I.)湿度传感器SHTVIIV;II)CVIII0VI.F0VI0单片机,III)CAN总线接口电路IV)PC.系统帧如图所示
使用CVIII0VI.F0VI0单片机的PII.VI口接虚拟数据,采用OATI.个PII.0口来接虚拟时钟线,从而直接与SHTVIIV数字式温湿度传感器连接并进行控制,SHTVIIV在I.0ms的时间进入睡眠模式,在此之前不应发送任何命令.当数据线处于高电平的时候,触发SCKIX次以上(包括IX次),然后发送I.个传输启动"命令来激活SHTVIIV,芯片是最重要的.然后是I.个测量命令(测量温度命令000000I.I.,00000I.0I.为测量相对湿度的订单),II.C将开始启动SCK,直到完成测量.然后将进入到I.个较电平,II.C再次重启SCK然后发送两个字节的测量数据.II.C的数据I.定处于I.个低电平,为每个字节产生响应信号.传输顺序从最高位(MSB)到字节对齐(LSB).
当传感器电复位后,程序将进入在外面等候指令.如果接受传感器的指示,传感器以及测量过程将开始将温度或湿度的实时数据存储,等待PC执行指令.如下图
因为SHTVIIV的温湿度采集的数据必须非线性补偿,以获得实际的环境温度和湿度.为了补偿非线性湿度传感器来获得准确的数据,使用下列类型(I.)校正输出值:
RHI.=CI.+CII*SORH+CIIIS0RHII(I.)
其中:SORH为湿度值RHI.补偿.SHTVIIV湿度传感器输出VIII位或I.II位值,CI.,CII和CII的值在如表以及输出湿度数据.
当测量温度与IIV℃相差较大,为了弥补湿度测量冲击温度,使用类型(II)校正输出值
RHtrue=(T-IIV)(TL+TII*SORH)+RHI.(II)
其中:RHtrueRHI.补偿温度的影响.TI.与TII值如表所示以及输出湿度数据
SHTVIIV有I.种材料PTAT(正比于绝对温度)r&d具有优异的线性度.下面的公式将可用于温度SHTVIIV数字输出转换:
温度=DL+DII*SOT
其中:SHTVIIV的SOT输出I.II或I.IV位的温度测量值,DI.和DII的数据如下表所示
D.温湿度采集软件部分
在本文中使用SiliconLaboratories的IDE软件.该软件主要是操作传感器,收集处理的温度和湿度数据和thecan通信.湿度传感器接收PC传输命令发送数据时,开始提取收集储存在CVIII0VI.F0VI0的RAM中的温度和湿度的数据,然后启动thecan传输,向上位机发送数据.
SiliconLabs的CAN总线工作的比特率可以达到I.比特/秒,实际速率可能会受到所选择的数据在物理传输上的限制的影响.CAN总线可配置Thecan处理器IIIII条项目作为发送或接收的数据.输入数据,消息对象及标志符号将储存在CAN总线的RAM中.所有发送和接收数据都被CAN总线全部处理完成,不需要CIP-VI.控制器的干预,这样会使CPU的CAN通信带宽是最小的.CIP-VI.通过特殊功能寄存器配置CAN控制器,读取要接收数据,并写准备发送的数据.CAN控制器时钟等于CIP-VI.单片机的时钟(系统时钟)
IV.结果测试和分析
本文介绍的系统,分别进行了静态和动态测试,收集了实验数据.从微控制器的存储器中读出的数据如图III显示,该系统能完成温湿度数据采集,处理以及实时的监测环境.
温度和湿度的数据采集系统已完成了微控制器的硬件系统和调节电路以及湿度传感器信号的整个调试.
V.结论
本文主要是用CVIII0VI.F0VI0单片机控制SHTVIIV数字式温湿度传感器采集仓库温湿度数据再通过CAN总线数据传输到PC得以实时监听.在数据通信方面,采用CAN总线,这样可以有效地提高测量精度.温度和湿度传感器也使用整体的数字输出,使电路简单,测量精度高.
致谢
基金项目:V0VIIIV0III0微机电系统(MEMS)测试计量技术及理论研究
作者简介:徐琰(I.IXVIIIV-),山西太原,读硕士研究方向:MEMS器件系统
附件II:外文原文(复印件)
摘要:在实际生产生活中,很多情况下是要考虑温湿度环境的影响及其精确控制,所以产生了数据采集系统.由于CAN总线可以提高抗干扰能力,增强可靠性以及可修改能力等.因此,I.般使用CAN总线接口来传输数据,然后通过上位机监控.
本文介绍了数据采集系统的设计,包括温湿度传感器,SCM系统,计算机,CAN总线.SHTVIIV温湿度数字传感器先采集仓库中的温湿度,然后通过总线接口向CVIII0VI.F0VI0单片机系统发送数据,CVIII0VI.F0VI0单片机做简单快速的数据处理,再通过CAN总线接口传送给计算机进行实时监控.通过测试,该系统可以实现数据采集,处理和通信.
关键字:温湿度传感器,CVIII0VI.F0VI0,数据采集??,CAN总线.
I..概述
在实际生产生活中,任何情况下都需要考虑温湿度环境的影响以及其精确控制,如粮食储存,烟草生产,控制自动空调,车载等.
由于集成电路制造技术的不断提高,以及高性能,高可靠性的单芯片DAS数据采集系统的出现,数据采集技术已经成为I.种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用.数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用需求,通过简单的增加和改变模块与系统编程相结合,可以扩大或修改系统,快速的组成I.个新的系统.温湿度数据采集系统始终是有关科研单位和公司着重的开发项目,其早期的系统主要用于单片机VIII0IIII.的核心,其采用热敏电阻和湿敏电容作为温度传感器和湿度传感器,整个系统虽然成本低,但尺寸大和精度低,通信距离有限制,还很普遍.为了克服这些缺点,本篇论文研究的单片机的温湿度数据采集系统,对仓库的温度和湿度监控,具有良好的实时性,精度高,操作简单,而且信号收发器维修方便并且使用充分.
II.温度和湿度数据采集系统的易用性
A *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
.CVIII0VI.微控制器介绍
为方便系统扩展,并与其他单片机微控制器的系统兼容,我们则使用CVIII0VI.F0VI0.CVIII0VI.F0VI0是I.种高集成的混合信号芯片系统,其中有VIX个单片机vo引脚,内部集成的两个I.VI位ADC,VIIVkb/msps的系统编程闪存,IVIIIVII字节的存储器件(外部RAM,可寻址VIIVKB地址空间数据存储接口,硬件实现的SPI,SM的总线/在I.IIC和两个UART串行接口,局域网控制器,V个I.般I.VI位定时器,可编程计数器阵列,VDD监视器和温度传感器,II个I.II位的DAC,具有可编程数据更新方式.
B.温度和湿度传感器
本研究采用瑞士盛世瑞恩传感器公司(DEBIDSENSIRION)的集成型湿度传感器SHTVIIV作为设计中的任务需要而使用具有精度高的数字式温湿度传感器SHTVIIV的系统的核心传感单元,提供数字输出的整个校准.SHTVIIV是使用CMOS高度集成和开发的专利技术做成的湿度传感器芯片,保证产品的高可靠性和良好的长期稳定性.传感器包括I.个电容式高分子湿度敏感元件和温度敏感元件,这两个敏感元件和I.个I.IV位A/D转换器以及I.个串行接口电路被设计在同I.个芯片上面.该传感器品质卓越,响应速度快(IV秒),抗干扰能力强,测量preClSlon(温度测量精密控制在0.III℃,湿度测量精密控制在I..VIII％RH),体积小,功耗低等等.每个传感器芯片在校准温室不变方面都非常准确,是以镜面冷凝式电表作为参考.对程序的校准的校正系数就在芯片本身的OTP存储器.通过两线串行接口和内部电压调整,使外围系统集成快速而简单.
C.现场总线
CAN总线称为控制器",即控制器局域网,是目前世界上应用最广泛的现场总线之I..CAN总线最早出现在I.IXS0s后期汽车行业,是德国博世公司是第I.个提出的,它的目的是为了解决现代汽车中大型电子设备之间的通信问题.它的通信具有高速度,高可靠性,连接方便,性价比高等特点,能够有效地实现分布式控制或串行通讯网络的实时控制,所以在行业内得到了迅速的发展.现在CAN总线遍及使用在高速网络及低成本网络,它在汽车系统,农用机械技术设备和工业自动化等几乎任何类型的数据通信内都得以使用.
III.单片机的温湿度数据采集
通过CVIII0VI.F0VI0单片机控制SHTVIIV数字式温湿度传感器测量仓库室内温度和湿度,并通过总线接口发送数据给CVIII0VI.F0VI0单片机系统,单片机经过简单快速的处理再通过CAN总线接口传送到PC显示器上.
A.CAN传输驱动模块
CAN传输驱动模块拥有微控制器硬件CVIII0VI.F0VI0,高速TLPI.I.III和隔离TJAI0V0以及快速的CAN收发器等组件.其中,CVIII0VI.F0VI0实现CAN总线应用层功能,TJAI0V0实现CAN总线的物理层和数据链路层的功能.该模块主要用于向上位机发送温湿度数据,并接受控制指令.
TJAI0V0CAN总线提供不同的发送功能,CAN总线提供差分接收器的功能,并完全符合ISOlI.SIXS"的标准,高速率,低电磁辐射,大范围差分接收器的输入,CAN总线可以对抗电磁干扰,不会对总线节点造成干扰,自动发送数据(TXD)控制超时功能,对总线引脚进行短暂的保护,输入和III.IIIV设备 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
兼容,保护电源,防止短路.
B.电源供电电路
整个系统在稳定的电力供应的基础上稳定可靠的运行,通过电源转换芯片MAXI.VIVS和电气隔离芯片B0V0VS设备等组件切换.VV转III.IIIV电源模块,通过外接电源MAXI.VIVS将VV转换成III.IIIV,为CVIII0VI.F0VI0单片机和SHTVIIV数字温湿度传感器提供电源.VV电源隔离模块通过将VV电源隔离成两个部分,分别为器件的两端提供电源.
电源隔离芯片B0V0VS具有恒压输入,单输出电压隔离电源模块效率高(VIII0％),体积小,价格低,可靠性高,耐冲击,隔离特性,温度范围宽(IV0°C~VIIIV℃)等等.为了确保模块在额定负载下有效可靠的操作,并负载输出在V％~I.00％,应该避免在无负载条件下长期工作.
C.温湿度数据采集和处理
温湿度数据采集系统由以下几部分组成,I.)湿度传感器SHTVIIV;II)CVIII0VI.F0VI0单片机,III)CAN总线接口电路IV)PC.系统帧如图所示
使用CVIII0VI.F0VI0单片机的PII.VI口接虚拟数据,采用OATI.个PII.0口来接虚拟时钟线,从而直接与SHTVIIV数字式温湿度传感器连接并进行控制,SHTVIIV在I.0ms的时间进入睡眠模式,在此之前不应发送任何命令.当数据线处于高电平的时候,触发SCKIX次以上(包括IX次),然后发送I.个传输启动"命令来激活SHTVIIV,芯片是最重要的.然后是I.个测量命令(测量温度命令000000I.I.,00000I.0I.为测量相对湿度的订单),II.C将开始启动SCK,直到完成测量.然后将进入到I.个较电平,II.C再次重启SCK然后发送两个字节的测量数据.II.C的数据I.定处于I.个低电平,为每个字节产生响应信号.传输顺序从最高位(MSB)到字节对齐(LSB).
当传感器电复位后,程序将进入在外面等候指令.如果接受传感器的指示,传感器以及测量过程将开始将温度或湿度的实时数据存储,等待PC执行指令.如下图
因为SHTVIIV的温湿度采集的数据必须非线性补偿,以获得实际的环境温度和湿度.为了补偿非线性湿度传感器来获得准确的数据,使用下列类型(I.)校正输出值:
RHI.=CI.+CII*SORH+CIIIS0RHII(I.)
其中:SORH为湿度值RHI.补偿.SHTVIIV湿度传感器输出VIII位或I.II位值,CI.,CII和CII的值在如表以及输出湿度数据.
当测量温度与IIV℃相差较大,为了弥补湿度测量冲击温度,使用类型(II)校正输出值
RHtrue=(T-IIV)(TL+TII*SORH)+RHI.(II)
其中:RHtrueRHI.补偿温度的影响.TI.与TII值如表所示以及输出湿度数据
SHTVIIV有I.种材料PTAT(正比于绝对温度)r&d具有优异的线性度.下面的公式将可用于温度SHTVIIV数字输出转换:
温度=DL+DII*SOT
其中:SHTVIIV的SOT输出I.II或I.IV位的温度测量值,DI.和DII的数据如下表所示
D.温湿度采集软件部分
在本文中使用SiliconLaboratories的IDE软件.该软件主要是操作传感器,收集处理的温度和湿度数据和thecan通信.湿度传感器接收PC传输命令发送数据时,开始提取收集储存在CVIII0VI.F0VI0的RAM中的温度和湿度的数据,然后启动thecan传输,向上位机发送数据.
SiliconLabs的CAN总线工作的比特率可以达到I.比特/秒,实际速率可能会受到所选择的数据在物理传输上的限制的影响.CAN总线可配置Thecan处理器IIIII条项目作为发送或接收的数据.输入数据,消息对象及标志符号将储存在CAN总线的RAM中.所有发送和接收数据都被CAN总线全部处理完成,不需要CIP-VI.控制器的干预,这样会使CPU的CAN通信带宽是最小的.CIP-VI.通过特殊功能寄存器配置CAN控制器,读取要接收数据,并写准备发送的数据.CAN控制器时钟等于CIP-VI.单片机的时钟(系统时钟)
IV.结果测试和分析
本文介绍的系统,分别进行了静态和动态测试,收集了实验数据.从微控制器的存储器中读出的数据如图III显示,该系统能完成温湿度数据采集,处理以及实时的监测环境.
温度和湿度的数据采集系统已完成了微控制器的硬件系统和调节电路以及湿度传感器信号的整个调试.
V.结论
本文主要是用CVIII0VI.F0VI0单片机控制SHTVIIV数字式温湿度传感器采集仓库温湿度数据再通过CAN总线数据传输到PC得以实时监听.在数据通信方面,采用CAN总线,这样可以有效地提高测量精度.温度和湿度传感器也使用整体的数字输出,使电路简单,测量精度高.
致谢
基金项目:V0VIIIV0III0微机电系统(MEMS)测试计量技术及理论研究
作者简介:徐琰(I.IXVIIIV-),山西太原,读硕士研究方向:MEMS器件系统
附件II:外文原文(复印件)
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