0 引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，居民普遍使用電子溫度計(jì)或萬(wàn)年歷自帶的溫度計(jì)來(lái)測(cè)量室內(nèi)溫度，但是，隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重及人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，人們對(duì)室內(nèi)濕度、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度的檢測(cè)也逐漸關(guān)注。然而，目前為止適用于家居型檢測(cè)濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度還沒(méi)有一種合適且適用的儀器。小型倉(cāng)庫(kù)中傳統(tǒng)的方法是采用濕度表、雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材，通過(guò)人工進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合溫度和濕度要求的庫(kù)房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大、隨機(jī)性大。因此我們需要一種性價(jià)比較高的溫濕度測(cè)量?jī)x。
本文設(shè)計(jì)研制一種新穎、方便、實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多功能測(cè)量?jī)x，適用于家庭、倉(cāng)庫(kù)以及溫室等需要環(huán)境檢測(cè)的地方。設(shè)計(jì)通過(guò)LCD顯示所監(jiān)測(cè)的結(jié)果，用戶可以根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果有效調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備，從而達(dá)到理想的環(huán)境狀態(tài)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)任務(wù)
本文實(shí)現(xiàn)基于STC單片機(jī)的多功能測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)濕度檢測(cè)、溫度檢測(cè)、CO2濃度檢測(cè)、室內(nèi)光照強(qiáng)度檢測(cè)、時(shí)間日期顯示的功能。其中濕度的測(cè)量范圍為20～90％RH；溫度的檢測(cè)范圍為-55～+125℃；CO2濃度測(cè)量范圍為350～10000ppmCO2；室內(nèi)光照強(qiáng)度的測(cè)量范圍為0～2500lux；系統(tǒng)顯示當(dāng)前時(shí)間和日期，并可以通過(guò)按鍵進(jìn)行修改當(dāng)前時(shí)間日期。
1．2 設(shè)計(jì)方案及工作原理
多功能檢測(cè)系統(tǒng)包括：電源模塊、控制器、溫度檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊、照度檢測(cè)模塊，CO2濃度檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、LCD顯示模塊。如圖1所示。
本控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，該單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，并且自帶8路10位精度AD轉(zhuǎn)換；溫濕度檢測(cè)由數(shù)字式的溫度檢測(cè)傳感器DS18B20和濕度檢測(cè)傳感器DTH11實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，因此在數(shù)據(jù)處理方面比較簡(jiǎn)單，且這兩款傳感器的性價(jià)比較高；時(shí)鐘模塊則是應(yīng)用了比較常用的DS1302時(shí)鐘芯片，通過(guò)控制器與時(shí)鐘芯片的通訊實(shí)現(xiàn)得到比較準(zhǔn)確的時(shí)間值，另外，通過(guò)按鍵操作實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的校準(zhǔn)；而對(duì)于照度和CO2濃度的檢測(cè)則比較復(fù)雜，由于硅光電池和CO2檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，因此需要對(duì)得到的小信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號(hào)信息送入單片機(jī)的AD口，從而得到單片機(jī)可以處理的數(shù)字量；所有檢測(cè)結(jié)果及日期時(shí)間的顯示都是由LCD實(shí)現(xiàn)；由于信號(hào)調(diào)理電路中放大器采用雙電源供電，因此電源模塊選用了交流220V轉(zhuǎn)±5V的電源模塊。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 控制電路
系統(tǒng)的控制電路是以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心構(gòu)成的最小系統(tǒng)。另外，為方便程序下載，設(shè)計(jì)了基于CH340的程序下載接口電路，電路圖如圖2所示。
2．2 檢測(cè)電路
根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的不同，可分為數(shù)字式傳感器和模擬式傳感器兩種。信號(hào)類(lèi)型的不同導(dǎo)致了檢測(cè)電路的不同。
2．2．1 溫濕度檢測(cè)電路
由于溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DTH11均為數(shù)字量輸出，因此檢測(cè)電路十分簡(jiǎn)單，為了防止不確定信號(hào)的出現(xiàn)，需在信號(hào)的輸出端接4．7k的上拉電阻，如圖3所示。
2．2．2 照度及CO2濃度檢測(cè)電路
由于光照檢測(cè)采用硅光電池，信號(hào)為小信號(hào)的模擬量輸出，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。CO2傳感器MG811的輸出同樣為模擬量電壓小信號(hào)。其參數(shù)如表1所示。
硅光電池測(cè)光強(qiáng)的原理是光生伏特效應(yīng)，即它是一種直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件，由硅光電池的特性曲線可知，光伏電池輸出電流比輸出電壓的線性性要好，因此在此檢測(cè)其電流特性。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得室內(nèi)的光照強(qiáng)度一般為0～2500lux，此時(shí)硅光電池的輸出電流在0～0．15mA左右，在硅光電池兩端并聯(lián)一個(gè)100 Ω電阻，可得此時(shí)的輸出電壓在0～15mV左右。
為了將小信號(hào)調(diào)理為可以適合單片機(jī)處理的信號(hào)，對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理。首先對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大處理，這里采用高輸入阻抗的差分放大器。其次，放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)二階有源低通濾波器。最后信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的AD口。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。
(1)差放大電路
因?yàn)殡娐分蠷3=R4，R6=R8=R7=R9，故可導(dǎo)出兩級(jí)差模總增益為：
通常，第一級(jí)增益要盡量高，第二級(jí)增益一般為1～2倍，這里第一級(jí)選擇100倍，第二級(jí)為1倍。則取R6=R7=R8=R9=10KΩ，要求匹配性好，一般用金屬膜精密電阻，阻值可在10KΩ幾百KΩ間選擇。則
先定R5，通常在1～10kΩ內(nèi)，這里取R5=1k Ω，則可由上式求得R3=99R1=49．5 kΩ。
取標(biāo)稱(chēng)值51kΩ。通常R1和R2不要超過(guò)R5／2，這里選R1=R2=510Ω，用于保護(hù)運(yùn)放輸入級(jí)。
A1和A2應(yīng)選用低溫飄、高KCMRR的運(yùn)放，性能一致性要好。
(2)有源低通濾波電路
由于濾波電路的輸入輸出信號(hào)為直流信號(hào)，因此在計(jì)算時(shí)選取的截止頻率為3Hz。濾波電容C1=C2=1 μF。
由式(3)(4)可得R=53078 Ω，A0=2，所以在此取R10=R11=51k。
信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后實(shí)際放大倍數(shù)A=200。而對(duì)于CO2傳感器，根據(jù)輸入信號(hào)的不同，選擇合適R3、R4，其信號(hào)調(diào)理電路的增益為80。
2．2．3 時(shí)鐘模塊
本設(shè)計(jì)選用美國(guó)Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，芯片采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。
工作電壓寬達(dá)2．5～5．5V。采用雙電源供電(主電源和備用電源)，可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。電路連接如圖5所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化；然后判斷標(biāo)志位確定當(dāng)前是否進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置，如果是，則通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)時(shí)鐘，如果否，則采集所有數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理；最后將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD顯示出來(lái)。系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。
3．2 部分檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于光照強(qiáng)度檢測(cè)和CO2濃度檢測(cè)，存在模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，因此需要考慮AD轉(zhuǎn)換器的精度，為了得到較準(zhǔn)確的檢測(cè)值，在此使用STC12C5A60S2自帶的10位AD轉(zhuǎn)換接口，即其精度為1／(210-1)。
對(duì)于光照強(qiáng)度檢測(cè)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后的輸出電壓為0～3V，相應(yīng)的光照強(qiáng)度為0～2500lux，假設(shè)AD轉(zhuǎn)換后的值為A，則此時(shí)對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度為E，如式(5)。
化簡(jiǎn)得：E=(12500×A)／3069。因此，通過(guò)程序編寫(xiě)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的檢測(cè)。
4 結(jié)論
設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2的多功能測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)理論分析與實(shí)際電路焊接以及相關(guān)程序的編寫(xiě)，設(shè)計(jì)出了實(shí)物。通過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了溫濕度檢測(cè)、CO2濃度檢測(cè)、室內(nèi)照度檢測(cè)、時(shí)鐘顯示的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，測(cè)量精度在實(shí)際計(jì)算誤差范圍內(nèi)。