用單總線器件組建溫濕度測控系統

一、引言
適宜的溫、濕度是人類及一切動植物生存生長所必需的兩個最基本的環境參數，在現代生產生活中，溫度和濕度的監測與控制有著十分重要的意義。但是，目前常用的溫、濕度測控系統大多存在至少兩大缺點：其一，需要大量的連線才能把現場傳感器的信號送到采集卡上，布線施工麻煩，成本也高；其二，線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，為了克服這些缺點，一種基于數字化單總線技術的系統應運而生。
數字化單總線技術[1]是利用DALLAS公司生產的新型器件實現的，它將系統的地址線、數據線、控制線合為一根導線，允許在這根導線上掛接數百個控制對象，形成多點單總線測控系統。這些測控對象所用的芯片都由該公司提供，采用單總線協議后，可在檢測點將模擬信號數字化。這樣，在單總線上傳輸的便是數字信號。本文介紹的溫、濕度測控系統就是基于單總線技術及其器件組建的，它具有性價比高，硬件施工維修方便，抗干擾性能好等特點。

二、總設計方案[2]
用單片機對單總線系統進行現場長期監控是非常經濟實惠的方案，其硬件連接非常簡單，可用單片機并口P1、P2、P3中的任一位端口與單總線連接來進行雙向數據傳輸，而且還可通過RS232/485轉換器串行口使單片機與上位PC連接，以便在WINDOWS平臺上進行高級的軟件管理。
1、系統原理
采用單總線技術設計的溫濕度監測系統，只要一條雙絞線（一根為信號線，一根為地線）從單片機拉向監控現場，然后將各種監控對象掛接在其上就可以了，其示意圖如圖1。圖中只畫出了一個監控現場的配置，其布線接頭與通常電話線路使用的一樣，插入和拔出都很方便。雖然RS232是串行通訊中目前最常用的接口，且在PC機系列中，每臺微機均配有標準的RS232，但是這種共地傳輸，由于受距離與環境的影響，極易受到干擾。因此，RS232方式的通訊，一般應用于速度為20kb／s，距離20m以內的條件下，不適合于高速、遠距離通訊。而RS485串行通訊是一種多發送器的電路新標準，它采用了差分平衡的電氣接口，利用平衡驅動、差分接收的方法，從根本上消除了地線信號。因此，RS485可用于距離1200m，速度為100kb／s的高速通訊。由此，在本課題設計中，需要在PC機側配置RS232/RS485轉換器。DS2405是DALLAS公司提供了一種可尋址的開關器件，其主要特性為：適用于單總線協議，由單總線上數據決定的漏極開路輸出的邏輯電平作為開關控制信號，控制信號輸出端（PIO）吸收能力大于4mA，0.4V，不用外接電源。

圖1中每個與單總線直接相連的測控對象的機構芯片均有一個64位的ROM，其中存有16位十進制編碼的序列號，稱之為身份證，以確保芯片掛接在總線上可以被識別出來，這是在單總線上實現定位和尋址通信的關鍵所在。

圖2為單總線芯片入口示意圖。由圖可見，芯片內還含有收、發控制和電源電路，其耗電量都很小，從總線上獲得一點電量存儲在大電容中就可以正常工作了，故一般不需要另附電源。

　　2、溫、濕度測量
（1）溫度測量
溫度測量采用DALLAS公司生產的數字溫度傳感器DS18B20，它是利用在板專利技術來測量溫度的。傳感器和數字轉換電路都被集成在一起，每個DS18B20都具有唯一的64位序列號。DSl8B20只有一個數據輸入/輸出口，因此，多個DSl8B20可以并聯到3或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20進行通信，而它們只需簡單的通信協議就能加以識別，這樣就節省了大量的引線和邏輯電路。DS18B20可編程設定9～12位的分辨率，固有測量精度為±0.5℃，測量溫度范圍為-55℃～+125℃。用戶還可自設定非易失性溫度報警上下限值，并可用報警搜索命令識別溫度超限的DS18B20。由于溫度計采用數字輸出形式，故不需要A/D轉換器。
（2）濕度測量[3]
濕度測量采用HONEYWELL公司生產的集成濕度傳感器IH3605，其測量濕度范圍為0～100%RH，固有精度為±2%RH，工作溫度范圍為-40℃～+85℃，它的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數。電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高。在實際應用中，可通過以下兩個步驟可計算出實際的相對濕度值：
〔1〕首先根據下述計算公式，計算出25℃溫度條件下相對濕度值RH0。

Vout=VDc(0.0062RHo+0.16) （1）
式中，VOUT—IH3605的電壓輸出值；
VDC—IH3605的供電電壓值；
RH0—25℃時的相對濕度值；
〔2〕進行溫度補償，計算出當前溫度下的實際相對濕度值RH：

RH=RHo/(1.0546-0.00216t) （2）
式中，RH—實際的相對濕度值；t—當前的溫度值，單位為℃。

其輸出電壓與相對濕度的關系曲線如圖3所示。由于IH3605的輸出電壓較高且線性度較好，因此電路無需進行信號放大及調整。可以將IH3605的輸出信號直接接到A/D轉換器上，完成模擬量到數字量的轉換。又由于此系統采用的是單總線技術，所以在這里采用DALLAS公司生產的適合于單總線協議的A/D轉換器DS2450，它采用逐次逼近的交換原理，有四路模擬輸入通道和兩種模擬輸入量程（0V～2.56V和0 V～5.12V）—未用做輸入的通道可作為輸出通道使用，一個數據口(以16.3kb／s的速率通信，超速模式下可達142kb／s)，轉換精度可在2～16位之間任意選擇，響應模擬電壓超門限報警設置，不用另接電源和外圍電路。

3、數據處理
由A/D轉換控制與狀態存儲器可知[4]：RC3、RC2、RC1、RC0的組合控制著A/D轉換精度的位數，0000為16位、0001為1位、……、1111為15位；IR控制輸入電壓范圍，IR=1時，模擬輸入上限5.10V，IR=0時輸入上限為2.55V。由此，可以用DS2450將IH3605輸出的模擬信號轉化為符合單總線協議的數字信號。例如，分辨率為12位（1101）、輸入電壓范圍為5.1V（IR=1）時，則一個字節的輸入電壓為1.25mV。由此可以得出輸出數據M（十進制），

M=Ｖout/1.25*1000 （3）

表1 濕度、溫度與DS2450輸出數據之間的關系

由表1可知，濕度傳感器IH3605和A/D轉換器DS2450可以獲得當前的濕度值，同時數字溫度傳感器DS18B20又可測得當前的溫度值，故此系統可以同時測量外界的溫、濕度。由于此系統只要求對所測的濕度（假設占用D通道）信號進行轉換，DS2450的A、B、C通道未選中被跳過，所以根據DS2450A/D轉換器的特性 [5]，可以將 A、B通道外接上拉電阻和電源，輸出高、低限報警信號，如圖4所示。又根據數字式溫度計DS18B20的特性及應用，用戶可自設定溫度報警上下限值TH和TL（非易失），當外界的溫、濕度值超過設定值時，可尋地址開關DS2405會自動開啟空調機、去濕機，從而實現了對溫、濕度的控制。

三、結論
用單總線技術及其器件組建的溫、濕度測控系統，比采用傳統的數據采集系統具有較高的性能價格比。測控對象越多越顯示其優越性。由于總線信號數字化，使系統的抗干擾性能好，可靠性高，有很強的實用性。