基于SPCE061A的低功耗电子温湿度检测系统

摘要：采用16位单片机SPCE061A作为控制核心，选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器构建了一个低功耗电子温度和湿度测量系统。由液晶屏显示温度和时间，按键可进行语音播报，温度分辨率为0.1℃，湿度测量精度为±5RH%。通过RS232可在PC机端记录测量值，查询历史值，实时描绘当前温度和湿度变化曲线。
　　关键词：SPCE061A，温湿度测量，低功耗
　　在实验室中，需要对温度、湿度等环境指标进行检测，以便确认仪器设备的使用环境，提高实验的精确度，同时为实验室的科学管理提供依据。本系统采用了16位单片机和温湿度传感器来作为控制器和采集器，通过软硬件联合设计达到了测量精度高、操作简单、使用方便的效果。由于平时处于睡眠状态，只在按键唤醒或按键播报时才进行测量，功耗很低，整个系统用三节五号电池供电可长期工作，较好的满足了实验室的需求。
　　一、系统总体设计
　　系统以SPCE061A单片机为控制核心，将温度、湿度传感器采集的数值经控制部分处理后由液晶显示。由时钟芯片对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时并显示。并能进行语音播报当前温度、湿度，超过设定值时声光报警。延时5分钟后可自动进入睡眠，按键唤醒，在睡眠状态时由于关闭所有外部功能模块，单片机的系统时钟也设定为弱振模式，功耗极低，静态只有5μA。通过串口和上位机端软件可与上位机通讯，记录当前温度、湿度值，显示实时变化曲线，查询历史纪录等。系统框图如图1所示。
　　二、各模块的设计
　　1、温度传感器
　　温度的测量一般是通过温度传感器，将温度转换为电信号，测量并显示被测量点的温度，温度传感器可分为3大类。
　　（1）热电偶式
　　热电偶式具有构造简单,适用温度范围广，使用方便,承受热机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域，振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合，但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。
　　（2）电阻式
　　电阻式可用来测量-220~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至-272℃，高温可测量至1000℃，互换性差，非线性严重，在腐蚀介质中使用时，易氧化，因此，只能用于低温及无腐蚀性的介质中。虽然测量温度范围广，但热稳定性差。
　　（3）数字式
　　数字式具有功耗低，精度高，抗干扰能力强，不需复杂的信号调整电路和A/D转换电路便能直接与单片机完成数据采集和处理，测量温度范围广，反应迅速，分辨率高(可达0.1度)，内置ADC数字输出。
　　2、湿度传感器
　　（1）电子式湿度传感器
　　电子式湿度传感器的准确度可以达到2％~3％RH。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。
　　（2）电容式湿度传感器
　　利用湿度传感器和一个固定电阻串联，与SPCE061A的IOB2和IOB4连接，形成RC反馈电路，即SPCE061A的Feedback电路，利用SPCE061A的Feedback功能，实现湿度传感器从电容到频率的转换，SPCE061A读取Feedback电路的工作频率后，又转换成电容，根据电容值计算得到湿度值。
　　3、时钟模块
　　可直接采用单片机定时计数器提供秒信号，通过编程序用软件实现年、月、日、星期、时、分、秒。采用此种方案不需另外增加芯片，使硬件电路简单，节约成本，但是时间误差较大，且断电计时停止。这里采用了DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302是美国达拉斯半导体公司最新推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，采用DS1302芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS1302芯片具有超低耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠，能够计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能等优点，而且具有定时中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断等特点，故广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合。
　　4、显示模块
　　采用液晶显示屏，具有轻薄短小，平面显示以及影像稳定不闪烁等优势，能显示汉字及各种符号，可以绘制曲线和简单的图像，分辨率高，抗干扰能力强和显示形式灵活等优点。
　　三、各单元电路的实现
　　1、温度采集电路
　　采用寄生电源供电，DS18B20与单片机的接口电路如图2所示。R为上拉电阻。采集到的温度信号经DS18B20转换成电信号后经2脚送到单片机内进行处理。DS1820输出值是16位符号扩展的二进制补码形式，以0.0625℃/LSB格式表达，其中S为符号位。例如：+125℃的数字输出为07D0H。它的温度表示如下表所示。
　　23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4
　　LSB
　　
　　MSB(unit=℃)LSB
　　S S S S S 26 25 24
　　MSB
　　
　　2、湿度的采集电路
　　湿度传感器HS1101是电容式的，可以利用SPCE061A的Feedback功能测得HS1101所在RC电路的工作频率，计算得到它的电容，再由电容值换算得到湿度值。为了减小误差，利用固定电容器C1和电阻R1构成另一个Feedback电路，作为湿度传感器HS1101的基准。根据HS110的参数，工作频率在10KHz时误差最小，选择电阻R2为620KΩ，和HS1101形成Feedback1。电容C1为390pF，和620KΩ的电阻R1形成Feedback2。电路如图3所示。
　　3、串行口通信
　　当单片机与上位PC机进行通信时，串行口是一个很好的途径，由于SPCE061A串行口使用的是TTL电平，而PC机的串行口使用的是RS232电平，为了使其能正常通信需要一片电平转换芯片MAX232作电平转换驱动，通信速率为9600波特率。与SPCE061A的串口通信电路如图4所示。
　　四、系统软件设计
　　系统软件主要由系统初始化模块，键盘扫描识别模块，DS18B20温度采集模块，HS1101湿度采集模块，LCD显示器与实时时钟模块，串行通信模块和中断服务程序组成，主程序流程如图5所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图5流程图
　　
　　参考文献
　　【1】李朝青单片机原理及接口技术北京航空航天大学出版社2005.10
　　【2】沙占友智能化集成温度传感器原理与应用机械工业出版社2002.7
　　【3】张洪润傅瑾新传感器应用电路200例北京航空航天大学出版社2006.8