基于usb接口的智能網(wǎng)絡(luò)溫度和濕度測量系統(tǒng)

1、<p><b>　　中文3487字</b></p><p>　　附件：資料1翻譯譯文</p><p>　　基于USB接口的智能網(wǎng)絡(luò)溫度和濕度測量系統(tǒng)</p><p>　　摘要：多數(shù)字輸出相對(duì)濕度和溫度傳感器 -SHT71是設(shè)置在系統(tǒng)中，它可以隨時(shí)對(duì)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。溫濕度值、露點(diǎn)值和每個(gè)測量點(diǎn)的日期和時(shí)間都顯示在LC

2、M顯示模塊（液晶顯示模塊）HY-12864K上。與此同時(shí)，這些數(shù)據(jù)被保存在非易失性FRAM（鐵電隨機(jī)存取內(nèi)存）的FM31256中，即可以保證在系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障的情況下數(shù)據(jù)不丟失。獲得的數(shù)據(jù)可以直接上傳到電腦中的USB主機(jī)模式或間接地被復(fù)制到電腦而不經(jīng)過USB設(shè)備模式磁盤領(lǐng)域的測試。該應(yīng)用軟件不僅可以繪制出溫度、濕度和露點(diǎn)曲線，計(jì)算出最大值，最小值，平均值，同時(shí)還可以做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，報(bào)表打印和對(duì)系統(tǒng)的基本測量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。</p

3、><p>　　關(guān)鍵詞：溫濕度，USB接口，網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)RAM。</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　溫濕度測量廣泛使用在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，日常生活和研究開發(fā)中。例如，濕度大可造成糧食變質(zhì)，使藥品、香煙和茶葉存儲(chǔ)倉庫發(fā)霉。如果存放棉花的倉庫中溫度和濕度不合適，將會(huì)引起自燃。同時(shí)，若溫度控制不當(dāng)，將會(huì)使精密儀器和半導(dǎo)體器件的性能降低

4、。所以，溫度和濕度在許多環(huán)境領(lǐng)域都需要嚴(yán)格得測量和控制。</p><p>　　傳統(tǒng)的溫濕度測量采用了對(duì)溫度和濕度分別進(jìn)行測量，這不能很好地?cái)[脫彼此測量時(shí)的相互干擾，此外，該傳感器的互換性差，電路復(fù)雜，它需要長期而復(fù)雜的校準(zhǔn)。截至目前，溫度和濕度的測量在國內(nèi)的研究是焦點(diǎn)課題，如南京航空航天大學(xué)、北京智能拓維技術(shù)研究所、河北師范大學(xué)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、電子信息工程學(xué)院湖南大學(xué)、黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)等都對(duì)此課題進(jìn)行了深入的研

5、究。但是，上述測量是基于離散傳感器完成的，其測量精度低，單點(diǎn)測量不適合大溫室環(huán)境，而且采用RS232串行通信，其較低的數(shù)據(jù)傳輸帶寬難以滿足目前計(jì)算機(jī)接口的發(fā)展趨勢。在國外，在該領(lǐng)域的研究較為成熟，具有很高的準(zhǔn)確度，如美國DeltaTRAK和QUATRONIX公司，德國德圖公司，奧地利，芬蘭，日本等，但他們的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，使我國廣大用戶承擔(dān)不起。</p><p>　　對(duì)于上述國內(nèi)和國際的現(xiàn)狀，該系統(tǒng)采用新型集成數(shù)字

6、輸出溫濕度傳感器-SHT11，完成對(duì)測量網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的測量，其具有測量精度高、良好的長期穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間斷等優(yōu)點(diǎn)。智能傳感器SHT11獲得的數(shù)據(jù)不僅可以直接通過USB接口上傳到電腦，也可保存在非易失性FRAM-FM31256中，即使系統(tǒng)掉電，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。更重要的是，微機(jī)和PC之間的溝通取代了傳統(tǒng)的RS232串行接口的雙模式USB接口（USB主機(jī)和USB設(shè)備）的應(yīng)用，它不僅可以直接實(shí)現(xiàn)，而且間接地閃存盤。因此，該系統(tǒng)具有小的接口，即插即

7、用和更好的通用性能。</p><p>　　2 該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　該系統(tǒng)是由電腦和微機(jī)組成。微機(jī)AT89C52單片機(jī)為核心芯片，它是由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，液晶顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和USB通信模塊來完成對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)和上傳。該系統(tǒng)不僅可以獲取數(shù)據(jù)，或在任何關(guān)鍵時(shí)間暫停，而且還可以通過該系統(tǒng)相應(yīng)的應(yīng)用軟件設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間和時(shí)間間隔。此外，當(dāng)環(huán)境溫度和濕度超

8、過了預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，它具有聲光報(bào)警功能。PC機(jī)是由數(shù)據(jù)處理和參數(shù)設(shè)置裝置組成，它可以繪制曲線、列表顯示、數(shù)學(xué)分析、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表打印和設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)的參數(shù)，如啟動(dòng)和停止時(shí)間，時(shí)間間隔，報(bào)警的上下限值等。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是圖1所示：</p><p>　　圖1總體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　該系統(tǒng)采用多功能集成數(shù)字輸

9、出溫濕度傳感器-SHT11做多點(diǎn)順序測量，其集成溫度和濕度的測量元件與一身，如信號(hào)放大器，A / D轉(zhuǎn)換器，光盤的OTP（一次性可編程只讀存儲(chǔ)器），I2C總線等外圍電路。它在校準(zhǔn)后直接輸出相對(duì)濕度和溫度的數(shù)字信號(hào)，它可以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和抗干擾能力，具有長期的穩(wěn)定性，有效地解決了傳統(tǒng)的溫度和濕度傳感器的不足。此外，它也可以準(zhǔn)確地測量露點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)椴煌臏囟群蜐穸犬a(chǎn)生誤差。</p><p>　　從圖2（相對(duì)濕度數(shù)字輸出

10、特性曲線）中我們可以看到它出現(xiàn)了非線性。該系統(tǒng)采用軟件方法進(jìn)行補(bǔ)償以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。該濕度值修正公式如下：</p><p>　　RH Linear =C1+C2*SO RH+C3*SORH*SORH</p><p>　　在上面的公式，SORH是測量傳感器的相對(duì)濕度測量值，這是作為如下情況的值（濕度可以選擇14或12位，溫度可以選擇12或8位）：</p><p>　　

11、12位 SORH ：C1 =-4 C2 =0.0405 C3 =-2.8*10-6</p><p>　　8位 SORH ：C1 =-4 C2 =0.6480 C3 =-7.4*10-4</p><p>　　上面的公式用于計(jì)算在25℃情況下濕度值，但真正的測量溫度是在特定的范圍內(nèi)變化，因此應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，其可按下列公式進(jìn)行補(bǔ)償：</p><p>

12、;　　RH true = (T-25)*(t1+t2*SORH) + RH Linear</p><p>　　在上面的公式中，T是實(shí)際溫度值。其系數(shù)如下：</p><p>　　12位 SORH ：t1=0.01 t2=0.00008</p><p>　　8位 SORH ： t1=0.01 t2=0.00128</p><p>　　該S

13、HT71溫度的線性度非常好，因此數(shù)字輸出的溫度的實(shí)際值可以通過下列公式轉(zhuǎn)換：</p><p>　　TC =d1+d2*SOT</p><p>　　在上面的公式，SOT是傳感器的溫度輸出值，該系統(tǒng)的電源電壓為5V。</p><p>　　當(dāng)溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1 =-40 d2 =0.01</p><p>　　當(dāng)溫度傳感器的分辨率為

14、12位時(shí)，d1 =-40 d2 =0.04</p><p>　　環(huán)境的露點(diǎn)值可根據(jù)由下列公式的相對(duì)濕度和溫度值計(jì)算：</p><p>　　Log EW = (0.66077+7.5*T)/ (237.3+T) + (Log 10(RH)-2)</p><p>　　DP = ((0.66077- Log EW)*273.3)/ (Log EW-8.16077)<

15、;/p><p>　　圖2 相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性曲線的SHT71</p><p>　　2.2 液晶顯示模塊（液晶顯示模塊）</p><p>　　液晶顯示模塊采用低功耗海鷹-12864K模塊，它可以同時(shí)顯示每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度、露點(diǎn)、實(shí)時(shí)時(shí)間和日期，以便它可以使用戶更方便的對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。LCM采用LED藍(lán)色背光控制的關(guān)鍵就是它可以使用戶在昏暗場合能夠讀取溫濕度值。&l

16、t;/p><p>　　2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊</p><p>　　在許多場合（如高風(fēng)險(xiǎn)之際，密封的環(huán)境等），個(gè)人電腦和微機(jī)之間的交流不能直接和實(shí)時(shí)的執(zhí)行，因此溫度和濕度的歷史數(shù)據(jù)需要記錄，然后將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，分析處理，報(bào)表打印等。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的非易失性FRAM-FM31256，其在掉電后仍有10年的保留時(shí)間，無限的讀寫能力。因此，該系統(tǒng)需要可靠地保證歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。此外，內(nèi)存集成了RT

17、C（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），低電壓復(fù)位電路（而不是獨(dú)立的時(shí)鐘芯片 -DS1302的）和看門狗定時(shí)器電路（而不是X5045的芯片），這使得該系統(tǒng)具有更高的集成度和更好的可靠性[3]。</p><p>　　2.4 USB通信模塊</p><p>　　USB接口以其即插即用、方便、易于擴(kuò)展和高速的特點(diǎn)被大量廣泛的推廣和應(yīng)用。但是，要開發(fā)、研制USB接口不是一件容易的事情，因?yàn)樗箝_發(fā)者深入地理解USB標(biāo)

18、準(zhǔn)，固件和驅(qū)動(dòng)程序編譯，這將會(huì)抑制一般硬件工程應(yīng)用到USB接口產(chǎn)品中去[4]。但是，在本系統(tǒng)中，普遍使用的USB接口芯片CH375得到應(yīng)用，它只需要開發(fā)人員對(duì)單片機(jī)和PC應(yīng)用軟件進(jìn)行編程，其具有易于使用，縮短開發(fā)周期的許多特點(diǎn)。更重要的是，它支持USB主機(jī)方式和USB設(shè)備模式。</p><p>　　該系統(tǒng)突破傳統(tǒng)單一的USB外部設(shè)備，并采用雙USB插頭座模式，這使它不僅可以工作在USB設(shè)備模式，也可以在USB主機(jī)

19、模式下使用，因此它為不同的用戶和場合提供了更多的方便。CH375和單片機(jī)的接口電路如圖3所示：</p><p>　　圖3 CH375和單片機(jī)之間的接口電路圖</p><p>　　單片機(jī)判別哪個(gè)USB插頭座正處于高或低的信號(hào)級(jí)別狀態(tài)，然后確定使用哪些使系統(tǒng)工作的通信方式。如果端口P52與電腦連接，CH375就工作在工程設(shè)備的模式下。如果端口P51與USB設(shè)備（如閃存盤）連接，則CH375工作

20、在主設(shè)備模式下。這兩種情況不能工作在同一時(shí)間。在空閑的情況下，狀態(tài)信號(hào)為低電平，單片機(jī)使CH375工作在主機(jī)模式下。當(dāng)USB設(shè)備插入P51時(shí)， CH375將通知單片機(jī)使其自動(dòng)處理相關(guān)的工作。當(dāng)P52與PC機(jī)的USB端口相連時(shí)，PC的5V電壓使?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈碗娖?，然后單片機(jī)監(jiān)控狀態(tài)信號(hào)使CH375芯片切換到設(shè)備模式[6]。</p><p>　　雙模式USB接口，使系統(tǒng)更普及，更方便，同時(shí)滿足許多場合。</p>

21、;<p>　　PC的應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序</p><p>　　圖4 界面的結(jié)構(gòu)和功能的個(gè)人電腦應(yīng)用軟件框圖</p><p>　　個(gè)人電腦應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序采用可視化編程語言 -Visual Basic的編程方法。該驅(qū)動(dòng)程序完成了USB接口與系統(tǒng)軟件的通信協(xié)議。應(yīng)用軟件是由數(shù)據(jù)處理和參數(shù)設(shè)置模塊組成，其可實(shí)現(xiàn)以下功能：溫濕度的測量，露點(diǎn)曲線圖的繪制，在任何時(shí)間間隔顯示最大值，和最

22、小值。改變了微軟Office Excel的傳輸顯示數(shù)據(jù)的列表，統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)表打印。此外，該軟件可以設(shè)置系統(tǒng)（如啟動(dòng)和停止時(shí)間，時(shí)間間隔，啟動(dòng)模式，內(nèi)存模式，溫度和濕度的預(yù)警閾值等）的許多參數(shù)。該軟件的界面結(jié)構(gòu)總圖4所示。</p><p>　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析</p><p>　　通過溫室試驗(yàn)，該系統(tǒng)被證實(shí)其具有很高的精度和測量的影響。圖5中的溫度和濕度曲線是根據(jù)溫室的實(shí)際數(shù)據(jù)采集而繪制

23、的。這些數(shù)據(jù)測量的時(shí)間間隔為5秒，通過與標(biāo)準(zhǔn)溫度濕度計(jì)分析系統(tǒng)相比較，溫度誤差不超過±0.4和濕度誤差不超過± 3.0％，非易失性內(nèi)存可存儲(chǔ)超過16000組數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)在溫度和濕度緩慢變化的環(huán)境下使用時(shí)，它可以通過每20分鐘一次的數(shù)據(jù)收集，連續(xù)測量約220天。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　該系統(tǒng)采用先進(jìn)的單總

24、線傳感器，它具有可靠，穩(wěn)定，全面的校準(zhǔn)和完全互換的優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以自動(dòng)的長期的獲取和存儲(chǔ)溫度和濕度數(shù)據(jù)，還可以對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫保護(hù)。此外，這些數(shù)據(jù)不會(huì)在失電后丟失，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性FRAM中。更重要的是，該系統(tǒng)不僅可以根據(jù)用戶設(shè)置的開始時(shí)間，停止時(shí)間和間隔時(shí)間自動(dòng)的采集數(shù)據(jù)，不需要人工監(jiān)測，適用于許多危險(xiǎn)場合，而且還可以擺脫電腦，作為一個(gè)便攜式的測量儀器，隨時(shí)可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止，這使用戶使用更方便。雙模式USB接口使數(shù)據(jù)傳輸