基于數字傳感器的兔舍溫濕度監控儀

1引言

　　養兔生產是現代畜牧業的重要內容之一，具有投資少、效益高等特點。近年來，隨著國際市場的暢通和國內消費市場對兔肉產品需求的加大，肉兔的養殖逐步走向工廠化。但我們發現，在肉兔的養殖過程中，因兔舍的溫度和濕度得不到較好的調節，而使肉兔的生長受到不同程度的影響。目前對兔舍的溫濕度管理基本還停留在人工操作的水平上，雖然近幾年出現了相關的測控設備，但通常的設計方法是多路目標參數經傳感器采集后輸出模擬量，然后將此模擬量通過數據線輸入單片機系統進行A/D轉換及相關的處理。這種方法的缺點是由于每一路傳感器都需要一根數據線連接到控制主板，因此布線施工麻煩、成本高;另外，由于線路上傳輸的是模擬信號，因此易受干擾、損耗大。對于大面積的兔舍溫濕度監控這些缺點就顯得尤為突出。為了提高兔舍管理的智能化水平，我們研制了一套基于數字傳感器的溫濕度監控儀。

2系統總體設計思路

　　本監控儀以微型單片機為控制核心，由檢測模塊（含溫度檢測和濕度檢測）、信息處理模塊和驅動控制模塊三大部分組成。整個系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

　　整個系統工作時，單片機啟動，操作人員可以通過鍵盤向系統輸入所設定的兔舍的溫度和濕度范圍。布置在兔舍的溫濕度傳感器采集參數信號后在測量現場直接將其轉換為數字信號，經一條雙絞線送入控制室中的單片機，然后一方面送顯示電路進行顯示，另一方面與設定值進行比較，當兔舍內的溫度或濕度超出所設定的范圍時，單片機系統就會輸出指令控制接通相應的設備;當兔舍的溫度和濕度都在設定的范圍內時就切斷執行設備的電源。

3檢測電路原理

　　溫濕度檢測電路采用單總線技術設計，只要將一條雙絞線從控制室中的單片機拉向兔舍測量現場，然后將各路溫濕度傳感器掛接在上面就可以了。接口電路如圖 2所示。用單片機的并行接口P1.0與單總線連接來實現數據的雙向傳輸。圖中每個與單總線直接相連的芯片均有自己的64位ROM注冊碼，也稱之為芯片的 ID號，這個注冊碼由廠家光刻到芯片內，以確保其唯一的可識別性。這是在單總線上實現定位和尋址通信的關鍵所在。

圖2 檢測電路原理圖

　　3.1溫度檢測電路

　　對兔舍溫度信號的檢測，本系統選用了DS1825型溫度傳感器。DS1825是美國DALLAS公司生產的一種低價位、低功耗的單總線式數字溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃至+85℃范圍內精度為±0.5℃。它不像傳統的模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調理電路和A/D轉換電路等，而是可以直接與微處理器總線相連。每片DS1825除具有唯一的64位注冊碼外，還帶有4位定位地址，可以識別系統中特定的溫度傳感器，縮小了查表范圍。

　　DS1825與單片機的接口電路如圖2所示。在單片機的一根I/O總線上掛接六個DS1825同時進行不同地點的溫度測量。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現象，在設計時，我們通過地址輸入引腳AD0、AD1、AD2和AD3的不同組合來提供六種工作方式。

　　3.2濕度檢測電路

　　濕度檢測電路部分，我們采用了濕度傳感器HM1500LF和A/D轉換器DS2450的組合設計。HM1500LF是法國HUMIREL公司生產的一種低價位的線性電壓輸出濕度傳感器，它采用HUMIREL專利濕敏電容HS1101設計制造，其測濕范圍為0～100%RH，輸出電壓為1～4VDC，精度為±3%RH（10～95%RH范圍），工作溫度范圍為-30℃～+60℃。DS2450是美國DALLAS公司最新推出的一種符合單總線協議的可組網集成A/D芯片，采用逐次逼近的轉換原理，有四個模擬電壓輸入通道和兩種模擬電壓輸入量程（0V～2.56V和0V～5.12V），一個數據輸出口（以 16.3kb/s的速率通信，超速模式可達142kb/s），轉換精度可在2～16位之間任意選擇，由單5V電源供電，也可采用寄生電源方式供電。

　　濕度檢測電路如圖2所示。六個濕度傳感器分別接到一片DS2450的四個模擬電壓輸入通道A、B、C和D及另一片DS2450的A和B端，兩片 DS2450的DATA端分別接到同一根I/O總線上，電路采用+5V電源供電。利用該電路濕度檢測信號在測量現場就被直接轉換為數字信號，因此 HM1500LF和DS2450組合在一起，就構成了一個單總線數字濕度傳感器模塊。

4系統控制主板設計

　　系統的硬件電路配置如圖3所示。

圖3 系統硬件電路配置

　　監控儀的微處理器選用與MCS-51兼容的ATMEL系列單片機AT89C52，它是低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8K可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256字節的隨機存取數據存儲器。

　　LED顯示電路和鍵盤電路由一片8255、一片74HC245、一片MC1413和兩片74HC374組成。顯示控制的位碼由74HC374輸出，經 MC1413反向驅動后，作為LED的位選通信號。位選通信號同時作為鍵盤列掃描碼，鍵盤掃描的行數由74HC245讀回，74HC374輸出的列掃描碼經74HC245讀入后，用來判斷是否有鍵按下，以及按下的是什么鍵。如果沒有鍵按下，由于上拉電阻的作用，經74HC245讀回的值為高，如果有鍵按下，74HC374輸出的低電平經過按鍵被接到74HC245的端口上，這樣從74HC245讀回的數據就會有低位，根據74HC374輸出的列信號和 74HC245讀回的行信號，就可以判斷哪個鍵被按下。LED顯示的段碼由另一片74HC374輸出。

　　驅動控制電路由驅動器74LS04和固態繼電器組成。根據單片機AT89C52輸出的執行信號控制著空調機和除濕機的啟閉。

5系統軟件設計

　　系統應用程序采用模塊化設計方法。整個軟件程序由主程序、中斷服務程序以及應用子程序組成，主程序主要完成對系統進行初始化及兔舍初始溫度值和濕度值的設定;中斷服務程序用來對整個溫濕度監控系統進行過程控制。

　　5.1數據采集子程序設計

　　在溫（濕）度采集子程序中，系統首先對DS1825（DS2450）進行初始化，并在線搜索DS1825（DS2450）的注冊碼，啟動A/D轉換，讀取模擬輸入通道的A/D轉換值。為了說明其程序設計方法，下面給出了對DS2450操作的軟件流程，如圖4所示。

圖4 DS2450操作軟件流程

　　5.2軟件設計的抗干擾措施

　　由于本系統直接放在監控現場使用，而現場環境一般都含有種種噪音和干擾，所以必須對采樣值進行數字濾波?？紤]到測量對象是變化緩慢的溫度參數和濕度參數，本系統采用低通濾波和加權平均濾波兩種算法的復合數字濾波技術，其輸入輸出關系如圖5所示。

圖5 數字濾波器輸入輸出關系

　　低通濾波法是根據慣性環節的特性建立起來的，其算法為

　　式中，為濾波系數; X（n）為低通濾波輸入值;C（n-1） 為上次低通濾波器輸出值; C（n）為本次低通濾波器輸出值。

　　加權平均濾波法是對連續n次采樣值，分別乘上不同的加權系數之后再求累加和，為了突出最新幾次采樣的效果，加權系數一般先小后大。加權平均濾波的算法為

6結束語

　　在設計中，由于采用了低價位、低功耗的單總線式數字溫度傳感器和濕度傳感器模塊來對目標參數進行檢測，而且在軟件上采取了一定的抗干擾措施，因此，簡化了整機的電路結構，降低了其成本和功耗，提高了其檢測精度和可靠性。該儀器研制成功后，經過在實際現場反復試驗、測試，溫度誤差小于±0.6℃，相對濕度誤差小于±4%RH，試驗結果表明，儀器設計合理，性能可靠，完全滿足了應用實際的設計要求。

　　本文作者創新點：本文將計算機數字傳輸技術與目前兔舍溫濕度監控設備現狀相結合，針對現有設備中存在的不足之處，提出了一種新的設計方法，并且采用新型的集成芯片設計出數字式濕度檢測模塊，配合數字式溫度傳感器，運用單總線技術設計出一套全數字化溫濕度監控儀，為了提高采樣數據的可靠性，文中還給出了一種復合數字濾波器的設計。

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