基于usb接口的智能網絡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接口的智能網絡溫度和濕度測量系統(tǒng)</p><p>　　摘要：多數字輸出相對濕度和溫度傳感器 -SHT71是設置在系統(tǒng)中，它可以隨時對環(huán)境監(jiān)測點的溫度和濕度進行實時測量。溫濕度值、露點值和每個測量點的日期和時間都顯示在LC

2、M顯示模塊（液晶顯示模塊）HY-12864K上。與此同時，這些數據被保存在非易失性FRAM（鐵電隨機存取內存）的FM31256中，即可以保證在系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障的情況下數據不丟失。獲得的數據可以直接上傳到電腦中的USB主機模式或間接地被復制到電腦而不經過USB設備模式磁盤領域的測試。該應用軟件不僅可以繪制出溫度、濕度和露點曲線，計算出最大值，最小值，平均值，同時還可以做進一步的統(tǒng)計分析，報表打印和對系統(tǒng)的基本測量參數進行設置。</p

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

4、。所以，溫度和濕度在許多環(huán)境領域都需要嚴格得測量和控制。</p><p>　　傳統(tǒng)的溫濕度測量采用了對溫度和濕度分別進行測量，這不能很好地擺脫彼此測量時的相互干擾，此外，該傳感器的互換性差，電路復雜，它需要長期而復雜的校準。截至目前，溫度和濕度的測量在國內的研究是焦點課題，如南京航空航天大學、北京智能拓維技術研究所、河北師范大學科學技術大學、電子信息工程學院湖南大學、黑龍江省八一農墾大學等都對此課題進行了深入的研

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，其較低的數據傳輸帶寬難以滿足目前計算機接口的發(fā)展趨勢。在國外，在該領域的研究較為成熟，具有很高的準確度，如美國DeltaTRAK和QUATRONIX公司，德國德圖公司，奧地利，芬蘭，日本等，但他們的產品價格昂貴，使我國廣大用戶承擔不起。</p><p>　　對于上述國內和國際的現(xiàn)狀，該系統(tǒng)采用新型集成數字

6、輸出溫濕度傳感器-SHT11，完成對測量網絡各節(jié)點的測量，其具有測量精度高、良好的長期穩(wěn)定性和響應時間斷等優(yōu)點。智能傳感器SHT11獲得的數據不僅可以直接通過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，數據也不會丟失。更重要的是，微機和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主機和USB設備）的應用，它不僅可以直接實現(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)的總體結構</p><p>　　該系統(tǒng)是由電腦和微機組成。微機AT89C52單片機為核心芯片，它是由數據采集網絡，液晶顯示模塊，數據存儲模塊和USB通信模塊來完成對溫濕度數據的采集、顯示、存儲和上傳。該系統(tǒng)不僅可以獲取數據，或在任何關鍵時間暫停，而且還可以通過該系統(tǒng)相應的應用軟件設置啟動時間、停止時間和時間間隔。此外，當環(huán)境溫度和濕度超

8、過了預先設定的范圍時，它具有聲光報警功能。PC機是由數據處理和參數設置裝置組成，它可以繪制曲線、列表顯示、數學分析、統(tǒng)計分析、報表打印和設計微型計算機的參數，如啟動和停止時間，時間間隔，報警的上下限值等。該系統(tǒng)的總體結構是圖1所示：</p><p>　　圖1總體結構的系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.1 數據采集網絡</p><p>　　該系統(tǒng)采用多功能集成數字輸

9、出溫濕度傳感器-SHT11做多點順序測量，其集成溫度和濕度的測量元件與一身，如信號放大器，A / D轉換器，光盤的OTP（一次性可編程只讀存儲器），I2C總線等外圍電路。它在校準后直接輸出相對濕度和溫度的數字信號，它可以增強信號強度和抗干擾能力，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，它也可以準確地測量露點，不會因為不同的溫度和濕度產生誤差。</p><p>　　從圖2（相對濕度數字輸出

10、特性曲線）中我們可以看到它出現(xiàn)了非線性。該系統(tǒng)采用軟件方法進行補償以獲得準確的數據。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變化，因此應考慮濕度傳感器的溫度系數，其可按下列公式進行補償：</p><p>

12、;　　RH true = (T-25)*(t1+t2*SORH) + RH Linear</p><p>　　在上面的公式中，T是實際溫度值。其系數如下：</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，因此數字輸出的溫度的實際值可以通過下列公式轉換：</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>　　當溫度傳感器的分辨率為14位時，d1 =-40 d2 =0.01</p><p>　　當溫度傳感器的分辨率為

14、12位時，d1 =-40 d2 =0.04</p><p>　　環(huán)境的露點值可根據由下列公式的相對濕度和溫度值計算：</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 相對濕度數字輸出特性曲線的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，它可以同時顯示每個監(jiān)測點的溫度、濕度、露點、實時時間和日期，以便它可以使用戶更方便的對環(huán)境進行監(jiān)測。LCM采用LED藍色背光控制的關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 數據存儲器模塊</p><p>　　在許多場合（如高風險之際，密封的環(huán)境等），個人電腦和微機之間的交流不能直接和實時的執(zhí)行，因此溫度和濕度的歷史數據需要記錄，然后將數據繪制成曲線圖，分析處理，報表打印等。該系統(tǒng)采用先進的非易失性FRAM-FM31256，其在掉電后仍有10年的保留時間，無限的讀寫能力。因此，該系統(tǒng)需要可靠地保證歷史數據的存儲。此外，內存集成了RT

17、C（實時時鐘），低電壓復位電路（而不是獨立的時鐘芯片 -DS1302的）和看門狗定時器電路（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、易于擴展和高速的特點被大量廣泛的推廣和應用。但是，要開發(fā)、研制USB接口不是一件容易的事情，因為它要求開發(fā)者深入地理解USB標

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

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和單片機的接口電路如圖3所示：</p><p>　　圖3 CH375和單片機之間的接口電路圖</p><p>　　單片機判別哪個USB插頭座正處于高或低的信號級別狀態(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就工作在工程設備的模式下。如果端口P51與USB設備（如閃存盤）連接，則CH375工作

20、在主設備模式下。這兩種情況不能工作在同一時間。在空閑的情況下，狀態(tài)信號為低電平，單片機使CH375工作在主機模式下。當USB設備插入P51時， CH375將通知單片機使其自動處理相關的工作。當P52與PC機的USB端口相連時，PC的5V電壓使狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?，然后單片機監(jiān)控狀態(tài)信號使CH375芯片切換到設備模式[6]。</p><p>　　雙模式USB接口，使系統(tǒng)更普及，更方便，同時滿足許多場合。</p>

21、;<p>　　PC的應用軟件和驅動程序</p><p>　　圖4 界面的結構和功能的個人電腦應用軟件框圖</p><p>　　個人電腦應用軟件和驅動程序采用可視化編程語言 -Visual Basic的編程方法。該驅動程序完成了USB接口與系統(tǒng)軟件的通信協(xié)議。應用軟件是由數據處理和參數設置模塊組成，其可實現(xiàn)以下功能：溫濕度的測量，露點曲線圖的繪制，在任何時間間隔顯示最大值，和最

22、小值。改變了微軟Office Excel的傳輸顯示數據的列表，統(tǒng)計分析和報表打印。此外，該軟件可以設置系統(tǒng)（如啟動和停止時間，時間間隔，啟動模式，內存模式，溫度和濕度的預警閾值等）的許多參數。該軟件的界面結構總圖4所示。</p><p>　　3 實驗結果及分析</p><p>　　通過溫室試驗，該系統(tǒng)被證實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溫室的實際數據采集而繪制

23、的。這些數據測量的時間間隔為5秒，通過與標準溫度濕度計分析系統(tǒng)相比較，溫度誤差不超過±0.4和濕度誤差不超過± 3.0％，非易失性內存可存儲超過16000組數據。當系統(tǒng)在溫度和濕度緩慢變化的環(huán)境下使用時，它可以通過每20分鐘一次的數據收集，連續(xù)測量約220天。</p><p><b>　　4 結論</b></p><p>　　該系統(tǒng)采用先進的單總

24、線傳感器，它具有可靠，穩(wěn)定，全面的校準和完全互換的優(yōu)點。它不僅可以自動的長期的獲取和存儲溫度和濕度數據，還可以對獲得的數據進行寫保護。此外，這些數據不會在失電后丟失，因為這些數據存儲在非易失性FRAM中。更重要的是，該系統(tǒng)不僅可以根據用戶設置的開始時間，停止時間和間隔時間自動的采集數據，不需要人工監(jiān)測，適用于許多危險場合，而且還可以擺脫電腦，作為一個便攜式的測量儀器，隨時可以實現(xiàn)啟動和停止，這使用戶使用更方便。雙模式USB接口使數據傳輸