一種高性能便攜式PIC單片機濕度檢測儀的研制

摘要：介紹了一種高性能便攜式PIC單片機濕度檢測儀的研制，詳細闡明了有關的工作原理和關鍵技術。本測試儀充分應用ＰＩＣ單片機自身的軟硬件資源，具有智能化，小型便攜、可編程等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)、水文系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、氣象等許多領域具有廣泛的應用。 關鍵詞： PIC單片機 濕度測試儀 土壤含水量

適時準確地測量周圍環(huán)境的濕度和土壤含水量在國民經(jīng)濟發(fā)展的許多領域中具有廣泛的應用，如在農(nóng)業(yè)上為了科學地對土壤進行管理，需要經(jīng)常測試土壤含水量；在水利工程中，如水文站、堤壩上也需經(jīng)常測試土壤含水量，此外，土壤濕度測量在環(huán)保、氣象、國防施工中更是不可缺少的測量項目。如何使這種繁瑣的測量以及相關數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)自動化，成為人們急需解決的重要課題。

本文介紹一種高性能、便攜式、可編程的由PIC16C74單片機為主構成的濕度測試儀，詳細闡明了該儀器的工作原理、基本功能框圖、關鍵技術以及相應的工作軟件流程。

１儀器基本原理及功能框圖

本儀器的系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖如圖１所示，芯片選用價格低廉，性能優(yōu)良的PIC16C74單片機，充分利用其提供的軟硬件資源，配以相應的外圍電路完成土壤含水量檢測。主要組成部分包括：濕度傳感器，PIC單片機，外存儲器（Ｅ２ＰＲＯＭ），觸摸式鍵盤，液晶顯示屏（ＬＣＤ），電池電源通斷控制電路，以及向計算機傳送數(shù)據(jù)的通訊接口電路等部分。傳感器選用的是一種專利產(chǎn)品，其作用是直接將探測頭插入待測土壤中，將土壤濕度轉(zhuǎn)化成相應模擬電壓，電壓范圍在０～１．２Ｖ，該模擬電壓經(jīng)運算放大器放大到０～５Ｖ范圍內(nèi)的電壓后，送到ＰＩＣ１６Ｃ７４的Ｉ／Ｏ口，單片機內(nèi)有８個通道的Ａ／Ｄ變換器，選一個口作為模擬電壓輸入通道，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值，按電壓－含水量公式，經(jīng)過單片機運算，得出實際的土壤含水量值，送入外部擴展存儲器儲存，以備傳輸和處理之用，同時送入液晶顯示屏實時顯示。

本儀器設定每批數(shù)據(jù)由１６字節(jié)組成，外存儲器容量為６４Ｋ字節(jié)，所以外加存儲器最大存儲容量可達５１２批。為了對測量數(shù)據(jù)進行進一步處理，需要把各測試點的大量數(shù)據(jù)送往計算機，為完成數(shù)據(jù)傳輸，我們選用ＲＳ２３２標準接口方式，器件選用ＭＡＸ２０２作為接口器件，數(shù)據(jù)通過Ｉ／Ｏ接口送入計算機，再由它進行進一步處理，繪出測試曲線、圖表，然后進行分析、打印和存檔。

由于儀器體積小，按鍵選用觸摸開關，能夠完成電源控制（ＯＮ），測量（ＭＥＡＳＵＲＥ），前翻頁（ＵＰ），后翻頁（ＤＮ），清除（ＣＬＥＡＲ），認可（ＡＣＫ）等功能，可使用戶靈活操作。電源采用９Ｖ標準電池供電，并由專門的電源控制電路控制電源通斷，由ＰＩＣ６４Ｃ７４單片機監(jiān)測電池供電情況，電壓在正常工作范圍時，液晶屏顯示"Ｈ"，低于所定標準電壓時，顯示"Ｌ"，表明需要換電池。

由于我們研制的測試儀采用了高性能單片機芯片，可利用的軟硬件資源豐富，需要的外圍器件較少，具有很強的功能，并且功耗低，應用領域非常廣泛。

２關鍵器件和關鍵技術

２．１ PIC16C74單片機

本儀器芯片選用美國Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的PIC16C74單片機，這種芯片是一種低功耗、高性能，價格適中的ＣＭＯＳ全靜態(tài)８位Ｅ２ＰＲＯＭ單片微型處理器，為４０ＤＩＰ，其中Ｉ／Ｏ口就有３３腳，適于加裝較多外圍器件和設備。

ＰＩＣ１６Ｃ７４芯片包含１９２字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（ＲＡＭ）和４Ｋ字節(jié)程序存儲器（ＲＯＭ）容量，３３個輸出／輸入口，三個定時／計數(shù)器，三個捕捉／比較／ＰＷＭ模數(shù)和兩個串行口，同步串行口可配置成三線ＳＰＩ或二線Ｉ２Ｏ工作方式，串行口可設置成同步或異步，以及八通道高速Ａ／Ｄ變換器部分。軟件結(jié)構上，采用ＲＩＳＣ指令結(jié)構，具有８級堆棧，多個內(nèi)部和外部中斷位，指令３５條，易于編程。

與其它單片機（如８０３１芯片）相比，ＰＩＣ１６Ｃ７４具有如下幾個其它芯片無法比擬的特點：

·內(nèi)部帶有８個Ａ／Ｄ變換通道，僅此一點，在需要進行Ａ／Ｄ變換時，就省去了附加的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換外圍芯片；

·軟件指令僅３５條，利用編程實現(xiàn)；

·低功耗，高速ＣＭＯＳ ＥＰＲＯＭ技術，在５Ｖ ４ＭＨｚ時僅耗電２ｍＡ，在３Ｖ３２ｋＨｚ時，僅耗電１５ｍＡ；

·更為重要的是，該芯片具有休眠功能，即執(zhí)行Ｓｌｅｅｐ工作方式，此方式下，芯片耗電極?。ㄐ∮冢保恚粒?，當需芯片重新工作時，可通過內(nèi)部或外圍中斷方式喚醒芯片轉(zhuǎn)入正常工作方式；

·具有保密功能。

２．２Ａ／Ｄ變換

PIC16C74單片機有８路模擬輸入口，共用一個采樣／保持器，采樣／保持逐次比較，最后把模擬量變成數(shù)字量，對于本測試儀來說，輸入是傳感器送來的模擬電壓，其值在０～１．２Ｖ范圍內(nèi)變化，經(jīng)放大后的電壓進入單片機內(nèi)進行Ａ／Ｄ變換和運算處理，Ａ／Ｄ變換電路如圖２所示。

此外Ａ／Ｄ變換器的模擬參考電壓選用ＲＡ３／ｒｅｆ，引腳電壓為＋５Ｖ，在設計這種電路時，需要進行如下工作：

·Ａ／Ｄ變換的精度計算及誤差

把模擬電壓０～１．２５Ｖ轉(zhuǎn)換成８位二進數(shù)碼，其１ＬＳＢ＝１．２５／２５６＝４．９ｍＶ≈５ｍＶ，在ＶＤＤ＝５Ｖ±１０％時，且Ｖｒｅｆ＝５Ｖ情況下，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的全范圍精度小于１ＬＳＢ，其中包括偏置誤差、滿量程誤差和整數(shù)誤差，并且Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換是單調(diào)的。

由于ＶＤＤ小于５Ｖ或Ｖｒｅｆ小于ＶＤＤ時，分辨率和精度會降低，所以我們設計時采用如下兩條措施，一是選用ＶＤＤ＝５Ｖ，且Ｖｒｅｆ＝５Ｖ；二是通過運算放大器放大，使輸入模擬電壓在０～５Ｖ范圍內(nèi)變化。

·對輸入模擬信號量的要求

模擬輸入要進行ＥＳＤ保護，所以在ＶＤＤ和ＶＣＳ之間加有反向偏置二極管以保護器件不會被損壞，同時要求接到模擬輸入腳的外部器件應具有極低的漏電流。

·Ａ／Ｄ采樣要求

對于要達到特定精度的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，輸入通道電壓需充滿充電保持電容，其公式為：采樣時間＝放大器穩(wěn)定時間＋保持電容充電時間＋溫度系數(shù)，即可得出。

·Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時鐘選擇

時鐘選用４ＭＨｚ。

２．３鍵盤控制

ＰＩＣ１６Ｃ７４有五個Ｉ／Ｏ口ＰＯＲＴＡ～ＰＯＲＴＥ，其中ＰＯＲＴＢ是個雙向口，Ｂ口的四個引腳ＲＢ(４～７)，在引腳被設置成輸入方式時，這四個引腳的狀態(tài)變化會引起中斷。利用Ｂ口的特性，很容易和外部控制鍵盤接口。本儀器中設計了一個２×４的鍵盤，一共有８個控制鍵，鍵盤控制電路如圖３所示。為了對鍵盤采樣，首先禁止數(shù)字吸入電流，然后用軟件設置口Ｂ，使ＲＢ４～ＲＢ７為輸入端，ＲＢ２～ＲＢ３為輸出端至高電平。允許ＲＢ４～ＲＢ７的上拉，依次使ＲＢ２～ＲＢ３為低電平，同時檢測ＲＢ４至ＲＢ７，看是否有擊鍵（低電平），每次掃描會發(fā)現(xiàn)有多次擊鍵，一旦檢測到擊鍵，在重新開始鍵盤采樣之前，經(jīng)過４０ｍｓ的去抖動時間，直至當前鍵被釋放之前，不再檢測別的擊鍵。

２．４液晶顯示

測試儀顯示選用液晶顯示片ＥＤＭ－１６０１Ａ，它可同時顯示１６個ＡＳＣＩＩ碼字符，每個字符由５×７點陣組成，這種器件內(nèi)部控制電路主要由指令寄存器，數(shù)據(jù)寄存器，地址寄存器，顯示數(shù)據(jù)寄存器，字符發(fā)生和時序發(fā)生器等組成。本儀器顯示畫面顯示如圖４所示。０號位顯示電池電壓狀態(tài)，當電池電壓＞７．５Ｖ時，顯示"Ｈ"表示電池電壓正常，當電池電壓＜＝７．５Ｖ時，顯示"Ｌ"，表示電壓過低，需更換電池。１～３號位數(shù)碼，顯示測試批數(shù)，本測試儀最多可測試５１２批數(shù)據(jù)。４號位為空格。５～１０位顯示所測點電壓數(shù)值，以毫伏（ｍＶ）為單位。１１～１５號位數(shù)碼顯示此測試點的含水量百分數(shù)。

每按一次測量鍵，則顯示出測試點的相關電壓數(shù)值和換算出的含水量值，這些值同時送入外存儲器存儲起來。

２．５串口通訊

為了對采集到的數(shù)據(jù)進行深入地分析，需要將數(shù)據(jù)從測試儀的外存儲器傳送至計算機，ＰＩＣ１６Ｃ７４具有串行通訊接口（ＳＣＩ），ＳＣＩ是為能與ＣＲＴ終端及計算機等外設通訊的全雙工異步系統(tǒng)，本儀器采用ＲＳ－２３２－Ｃ接口方式，傳送波特率為９６００比特。數(shù)據(jù)傳輸格式如圖５所示，在這種方式下，ＳＣＩ采用標準的不歸零（ＮＲＺ）格式，開始是一位起始位，以邏輯"０"表示，接著是８位數(shù)據(jù)位，最后是一位停止位，以邏輯"１"表示，本儀器不設奇偶校驗位，故一次傳送數(shù)據(jù)長度為１０比特。接口芯片選用ＭＡＸ２３２，接收端（計算機）采用Ｃ語言編輯的接收軟件，顯示接收到的數(shù)據(jù)，并進行進一步的處理，如匯總成數(shù)據(jù)表格，畫出分析曲線以及打印結(jié)果等等，以供工作人員參考。

２．６電源控制

本儀器采用標準９Ｖ干電池供電，為了能保證正常供電，需要對電源進行下面三個方面的控制。

·電源的通斷控制，按鍵盤ＯＮ鍵，則９Ｖ電壓通過ＭＡＸ６６７（ＭＡＸ公司）輸出，提供儀器所需的５Ｖ電壓；

·電池電壓測試電路，假定標準９Ｖ干電池在加載情況下低于規(guī)定的某一電壓時，則儀器不能正常工作，需要更換電池，為達到此目的，需要對電池電壓進行連續(xù)監(jiān)測；

·自動關機功能：當測試完成后，如果不對儀器操作，一分鐘后電源電路自動斷開，實現(xiàn)自動關機功能。

上述三種控制都由ＭＡＸ６６７器件完成，具體電路如圖６所示。

３檢測儀的控制軟件設計

本檢測儀采用ＰＩＣ１６ＣＸＸ單片機匯編語言編程，控制軟件由主控程序、按鍵功能檢測、測量及含水量計算、顯示、清除、前后翻頁顯示、通訊等子程序組成。圖７為控制軟件框圖。

４特點及發(fā)展遠景

本測試儀器的基本特點為：

·體積小，１５０×８０×６０ｍｍ３，可以放在口袋中隨身攜帶到各個測試點進行數(shù)據(jù)采樣；

·采集的數(shù)據(jù)量大：由于加了外部Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器，可以采樣５１２批或１０２４批數(shù)據(jù)，進行計算并存儲起來；

·通過通訊接口，可以把采集數(shù)據(jù)送到計算機上，進行進一步的處理，如畫出測試曲線、進行分析、打印結(jié)果并存儲數(shù)據(jù)；

·由９Ｖ干電池供電，為了減小功耗，延長使用時間，該儀器開關機由專門控制電路控制，到一定時間，自動關機。在測量間隙，進入休眠狀態(tài)，節(jié)省能量，其他器件盡量采用ＣＭＯＳ的低功耗小電流器件；

·儀器智能化，可編程，由于采用先進的單片機，可以在單片機內(nèi)部進行Ａ／Ｄ變換以及各種數(shù)學計算，通過軟件編程可以對數(shù)據(jù)查閱（前后翻頁）、清除外存儲器中的數(shù)據(jù)以及向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，這些功能都可以通過儀表盤面的相應按鍵選擇。

綜上所述，本測試儀充分應用ＰＩＣ１６Ｃ７４單片機自身的軟硬件資源，具有智能化，小型便攜，可編程等優(yōu)點，另外本測試儀只需更換傳感器和修改控制軟件，就可擴展到其他環(huán)境參數(shù)的測試應用中，使得本測試儀在農(nóng)業(yè)、水文系統(tǒng)、環(huán)保、氣象等許多領域具有廣泛的應用。

參考文獻

1 ＰＩＣ１６Ｃ６Ｘ／７Ｘ／８Ｘ單片機應用手冊．武漢力源電子股 份有限公司１９９６

2 "ＰＩＣＣ１６ＣＸＸ系列單片機原理"．武漢力源電子股份有 限公司１９９７

3 王士元，吳芝芳編著．ＩＢＭ ＰＣ／ＸＴ（長城０５２０）接口技術及應用．天津：南開大學出版社，１９９１