环境检测仪的设计

环境检测仪的设计

摘要:设计了一款测量精度较高的环境检测仪,以AT89S52作为主控器件,通过温湿度传感器SHT11和新型数字式照度传感器BH1710,实现环境参数的检测,同时具有液晶显示、键盘操作和声光报警功能。

关键词:照度检测温湿度检测报警显示

随着科技的进步及环境保护科学技术的提高,现实生活中有很多场合需要对环境信息进行检测,以此来对工农业生产和日常生活提供帮助。利用AT89S52单片机作为主控器件,对环境温度、湿度及光照等数据进行实时采集、处理等。

1 系统设计方案

该系统以AT89S52单片机为核心器件,通过瑞士Sensirion公司具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对温湿度传感器SHT11和具有I2C总线接口的数字照度传感器BH1710完成环境温湿度和光照的采集,通过I2C总线将检测到的数据送入单片机进行处理、显示和报警。

2 系统硬件设计

2.1 温湿度检测电路设计

由于SHT11是数字式温湿度传感器,内部集成14位A/D,无需外

加A/D,而且单片机和温湿度传感器通信采用I2C总线接口传输数据,因此,只需将SHT11的SCK和DATA引脚与单片机I/O口相连即可。检测电路如图1所示。

由于AT89S52不具备I2C总线接口,故采用I/O口来虚拟I2C总线。将P1.2口虚拟时钟线与SCK相连,用于MCU和SHT11之间同步通信;将P1.3口与串行数据DATA相连,用于数据读取。DATA在SCK 时钟下降沿改变状态,并仅在SCK上升沿有效。数据传输期间,在SCK 时钟高电平时,DATA需要保持稳定,避免信号冲突,在DATA端要加一个上拉电阻,同时在电源和地之间接入一个0.1μF的去耦电容。

2.2 照度检测电路设计

(1)照度检测原理。

在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量dΦv除以该面元的面积ds,即EV=dΦv/ds。单位是勒克斯[2]。

(2)照度检测电路。

BH1710工作电压是2.4～3.6V,需要一个分压电路将5V分压得到3V左右的电压供给传感器,传感器将采集到的光照信号通过I2C总线接口传给单片机,但是由于所选单片机没有I2C总线接口,故采用I/O 口虚拟总线接口[3]。检测电路如图2所示。

2.3 液晶显示电路

采用控制器为ST7920系列中文图形液晶模块LCD12864。带中文字库的12864是一种具有1位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,点阵图形液晶显示模块;显示分辨率为128×64,内置8192个16×16点汉字,和128个16×8点ASCⅡ字符集,

3 系统软件设计

3.1 温湿度采集程序设计

首先初始化SHT11,当SCK时钟为高电平时,DATA由高电平翻转为低电平,紧接着SCK变为低电平,随后是在SCK时钟为高电平时,DATA翻转为高电平。

启动命令发送完毕,发送控制命令。微处理器控制SHT11的后续命令包含3个地址位(目前只支持“000”)和5个命令位。当MCU发布测量命令(“00000101”表示相对湿度RH,“00000011”表示温度T)后,MCU就要等待测量结束。这个测量过程所需的时间可根据精度不同而有所变化,若12bit的测量,所需时间为80 ms;若为14bit的测量,所需时间为320 ms。

SHT11通过将数据线DATA变为低电平进入空闲模式,表示测量的结束。为了测量准确,保证在测量时SHT11自身温升低于0.1℃,因此,SHT11的激活时间不要超过10％。温湿度检测流图如图3所示[4]。

3.2 温湿度转换

(1)温度。

SHT11的温度测量具有良好的线性,可直接采用如下公式得到温度值(T):

T＝d1＋d2SOＴ,T为实际温度值,SOＴ为SHT11读取的温度数据,d1和d2为常数,具体数值见产品手册。

(2)相对湿度。

湿度值(RH)可采用下式得到:

RH＝c1+c2SORH+c3SO2RH,SORH为SHT1读取的湿度数据,c1、c2和c3为常数。

(3)非线性补偿。

由于实际温度与参考温度25℃之间有差别,应考虑进行温湿度修正。

RHture=(T℃-25)×(t1+t2×SORH)+RH,RHtrue为最终计算出的相对湿度值;T为当前实际温度;t1和t2具体数值参见SHT11芯片手册。

3.3 照度采集程序设计

由于选用的照度传感器BH1710为数字型传感器,使用I2C总线来传输数据,读取其输出的数字信号即可。流程图如图4所示。

BH1710为数字型照度传感器,器件本身有三种精度模式:高精度、中精度和低精度。其中高精度分辨率为1lx,测量时间120 ms;中精度分辨率为4lx,测量时间16 ms;低分辨率为32lx,测量时间2.9 ms。

4 结语

利用BH1710照度传感器和SHT11温湿度传感器,设计出一种高精度环境检测仪。该检测仪以AT89S52单片机作为控制核心,能够对环境温湿度和照度检测,该电路结构简单,实现了环境温湿度的测量。照度测量精度最高可达1lx,温度误差为1℃,湿度误差为2%RH,具有较实际的应用价值。

参考文献

[1]吴玉康,邓世建,袁刚强.SHT11数字式温湿度传感器的应用[J].

工矿自动化,2010(4):99-101.

[2]蔡冬霞.基于单片机的环境检测仪设计[J].工矿自动化,2012(3):84-85.

[3]齐凤河,刘楚明.基于BH1710的照度计设计[J].大庆师范学院学报,2011,31(6):14-17.

[4]马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计[M].3版.北京:北京航空航天大学出版社,2006:85-140.