基于SHT75溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：系統(tǒng)基于SHT75溫濕度傳感器，利用EPA總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)的通信和對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度與濕度的監(jiān)測(cè)，為用戶提供一個(gè)適時(shí)性與便利性的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：EPA總線技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通信；SHT75；溫濕度傳感器

*本項(xiàng)目得到了國(guó)家863項(xiàng)目（2006AA040301）資助。
2008年9月17日收到本文修改稿。

引言

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，特別是那些環(huán)境因素對(duì)生產(chǎn)過(guò)程影響比較大的車(chē)間，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)很重要，而隨著工業(yè)自動(dòng)化的迅速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)中應(yīng)用的普及，它能使用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的一些環(huán)境因素實(shí)現(xiàn)一個(gè)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)，突顯其便利性和適時(shí)性。本系統(tǒng)就是基于SHT75溫濕度傳感器，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

溫濕度測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用溫濕度傳感器，為了達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的，就少不了與工業(yè)以太網(wǎng)或其它工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)相連，本系統(tǒng)就利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，由傳感器SHT75采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度，經(jīng)過(guò)CPU處理，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)。

　　本溫濕度測(cè)量系統(tǒng)包含了微處理器（C8051F120）、存儲(chǔ)器、傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設(shè)計(jì)中，電源使用了以太網(wǎng)供電設(shè)備，該設(shè)備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設(shè)計(jì)中所需要的電源。該電源經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，為微處理器、存儲(chǔ)器、傳感器模塊等提供所需的+5V和+3.3V電壓。微處理器C8051F120通過(guò)I/O口與傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 溫濕度測(cè)量系統(tǒng)框圖

處理器C8051F120

　　C8051F120是美國(guó)Cygnal公司的一款控制芯片，它使用 Silicon Lab 的專利 CIP-51 微控制器內(nèi)核，具有64個(gè)數(shù)字I/O 引腳、片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器,它使C8051F120器件成為真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)；FLASH 存儲(chǔ)器具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051固件；片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試，該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令；它能在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）處工作，這些完全滿足在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。

　　微處理器部分的設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)硬件的啟動(dòng)與復(fù)位、地址總線、數(shù)據(jù)總線的分配和定義、與外設(shè)傳感器的連接等；系統(tǒng)由外部的22M鐘振作為時(shí)鐘源向CPU輸入時(shí)鐘信號(hào)；復(fù)位電路由10μF的電容、10K電阻組成低電平復(fù)位電路，該復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)上電低電平自動(dòng)復(fù)位。

傳感器模塊

　　SHTxx 系列單芯片傳感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè) 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采集速率而進(jìn)行調(diào)整，一般情況下默認(rèn)的測(cè)量分辨率分別為 14bit（溫度）、12bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至 12bit 和 8bit，對(duì)溫度的量程范圍：-40～123.8℃，濕度的量程范圍：0～100%RH。它操作比較簡(jiǎn)單，只需用一組“ 啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，就能實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，同時(shí)，在測(cè)量和通訊結(jié)束后，SHTxx 會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，這大大的減少了功耗。我們選擇的是SHT75，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2  SHT75結(jié)構(gòu)框圖

　　SHT75與微處理器的連接，是通過(guò)C8051F120的兩個(gè)I/O口來(lái)分別與傳感器SHT10的SCK引腳和DATA引腳相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換；VDD與3.3V電壓相連。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA 在低電平，所以還必須在I/O電路中，DATA引腳上加上一個(gè)上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，用一個(gè)10KΩ的電阻接至3.3V電壓。

網(wǎng)絡(luò)通信接口

　　在設(shè)計(jì)中采用網(wǎng)絡(luò)接口將溫濕度傳感器接入工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳遞到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和上位機(jī)的通信。網(wǎng)絡(luò)隔離器采用的是HR61H50L，網(wǎng)卡芯片使用的是RTL8019AS。

　　RTL8019AS 是REALTEK公司的高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡(jiǎn)單的解答即插即用 NE2000兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。通過(guò)三電平控制特性，RTL8019AS是對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 GREEN PC 理想的選擇。全二重功能能夠模擬傳播和接收在雙絞線到全二重以太網(wǎng)交換機(jī)。這個(gè)特性不僅使帶寬從10到20MBPS，而且避免了由于以太網(wǎng)頻道爭(zhēng)奪特性導(dǎo)致的讀出多路存取協(xié)議的問(wèn)題。為了提供完全解決即插即用方案，RTL8019AS集成10BASET收發(fā)器，BNC,和AUI接口之間的自動(dòng)檢測(cè)功能。此外，8條IRQ 總線和16條基本地址總線為大資源情況下提供了寬松的環(huán)境。RTL8019AS用 16k字節(jié) SRAM 設(shè)計(jì)在單片芯片上，它的設(shè)計(jì)不僅提供了更友好的功能，而且節(jié)省了 SRAM 存儲(chǔ)資源。RTL8019AS的地址總線SA[7:0]與數(shù)據(jù)總線SD[7:0]分別與C8051F120的地址/數(shù)據(jù)總線相連。

電源

　　電源采用的是以太網(wǎng)供電設(shè)備，該設(shè)備采用符合802.3受電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的+24V，經(jīng)過(guò)LM2576-5（Motorola生產(chǎn)）和AS1117-3.3（ALPHA?生產(chǎn)）電源芯片，電平轉(zhuǎn)換后，輸出溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中的微處理器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)卡芯片和傳感器模塊上所需的5V和3.3V電源。

軟件設(shè)計(jì)

　　主程序結(jié)構(gòu)主要由CPU與SHT75之間的數(shù)據(jù)傳遞和傳感器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞并在上位機(jī)顯示兩部分組成。在數(shù)據(jù)傳遞部分，首先需要對(duì)CPU與SHT75對(duì)應(yīng)I/O口以及相關(guān)寄存器的初始化，然后通過(guò)CPU發(fā)送命令啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，之后，傳感器開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的交換，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)進(jìn)行完一次采集和傳遞后，再通過(guò)通信復(fù)位來(lái)循環(huán)工作；在上位機(jī)顯示部分，只需找一入口地址，把CPU處理好的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，再通過(guò)EPA組態(tài)軟件來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀的顯示。程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)

　　在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中，主要經(jīng)過(guò)的是啟動(dòng)傳輸、字節(jié)的讀與寫(xiě)、狀態(tài)寄存器的讀與寫(xiě)、最終數(shù)據(jù)的讀取和通信的復(fù)位幾部分。下面列出溫濕度數(shù)據(jù)的讀取程序的部分代碼：

BYTE shtMeasure(BYTE *ptr,BYTE mode)
{BYTE error,crc; BYTE i;
  switch(mode) {
  case SHT_MODE_TEMP:                           //讀溫度數(shù)據(jù)
    do {error = 0;
      shtTransstart();                                //啟動(dòng)傳輸，傳感器開(kāi)始工作
      error += shtWriteByte(SHT_MEASURE_TEMP);    //寫(xiě)字節(jié)函數(shù)，寫(xiě)一個(gè)字節(jié)
      } while (error);                               
    break;
  case SHT_MODE_HUMI:                          //讀濕度數(shù)據(jù)
    do {error = 0;
      shtTransstart();                               //啟動(dòng)傳輸，傳感器開(kāi)始工作
      error += shtWriteByte(SHT_MEASURE_HUMI);   //寫(xiě)字節(jié)函數(shù)，寫(xiě)一個(gè)字節(jié)
       } while (error);
    break;
  default:
    break;
  }
  for (i=0;i<65535;i++) { if (SHT_DATA==0) {
      break;
    }
  }
　Delay100us(20);                                 //不需要定時(shí)器的延時(shí)
  *ptr = shtReadByte(SHT_ACK);                    //讀字節(jié)函數(shù)，讀一個(gè)字節(jié)
　Delay100us(10);
 *(ptr+1) = shtReadByte(SHT_ACK);
  crc = shtReadByte(SHT_NOACK);
  crc = crc;
  return error;
}

溫濕度傳感器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

　　圖4它是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，設(shè)備掛在集線器上，集線器在給溫濕度傳感器供電的同時(shí)，還對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳遞；集線器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)與上位機(jī)相連，數(shù)據(jù)信息就通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)。通過(guò)上位機(jī)用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度與濕度。

圖4  監(jiān)測(cè)拓?fù)鋱D

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，此設(shè)備是直接通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模ㄟ^(guò)在重慶重鋼集團(tuán)的一個(gè)月試用結(jié)果來(lái)看，它的穩(wěn)定性和精確度滿足要求。圖5是在重慶鋼鐵集團(tuán)中板廠監(jiān)測(cè)室的監(jiān)測(cè)界面。

圖5 監(jiān)測(cè)曲線圖

　　圖5是一監(jiān)測(cè)曲線圖，通過(guò)直觀的曲線圖來(lái)顯示工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度變化，它具有報(bào)警功能，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體要求自主設(shè)定上限與下限，當(dāng)溫濕度值超過(guò)限制時(shí)，就會(huì)顯示紅色，并閃爍不定，以示報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)

　　在重慶鋼鐵集團(tuán)中板廠持續(xù)高溫車(chē)間里的使用效果來(lái)看，傳感器的測(cè)量精度基本保持穩(wěn)定，根據(jù)監(jiān)控室人員的反映，監(jiān)控界面所顯示的數(shù)據(jù)與車(chē)間實(shí)際數(shù)據(jù)誤差很小，并且它能適時(shí)性的顯示車(chē)間的溫度與濕度，刷新速率很快，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般環(huán)境比較的惡劣，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備自身的發(fā)熱量以及長(zhǎng)久使用對(duì)自身的損耗直接影響著傳感器對(duì)外界環(huán)境因素的靈敏度，所以，怎樣使傳感器模塊擁有更好的靈敏度、更低的功耗、更廣的工作范圍，這些對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化提出了更高的要求。
  
參考文獻(xiàn)：
1.  周智勇，智能傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提高采礦作業(yè)的安全性，電子產(chǎn)品世界，2008,6:56-60
2.  周立功，單片機(jī)試驗(yàn)與實(shí)踐教程，北京航空航天大學(xué)出版社，2006,5
3.  張娟、陳杰、蔡振江，基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫室溫度采集，微計(jì)算機(jī)信息，2007, (01)
4.  唐煒、徐曉蘇，基于溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鹘７椒捌鋺?yīng)用，計(jì)量技術(shù)，2007, (02)
5.  牟連佳，一種基于工業(yè)以太網(wǎng)之信息傳感器的研究，微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007, (01)
6.  金光虎，傳感器數(shù)字化接口技術(shù)研究，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004