基于单片机的温湿度数据采集系统设计外文翻译资料

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基于单片机的温湿度数据采集系统设计

摘要：在很多情况下实际的生产生活都是考虑温度和湿度环境的影响并进行精确控制，然后才来到数据采集系统。由于CAN总线可以提高数据的抗干扰能力和可靠性，纠正能力等。因此，使用CAN总线接口传输数据，然后由上位机监控。

本文介绍了由温湿度传感器，单片机系统，计算机，罐式总线组成的数据采集系统设计。SHT75数字式温湿度传感器采集到仓库内的温湿度测量数据后，通过总线接口将数据发送至C8051F060单片机系统。C8051F060单片机通过CAN总线接口对计算机进行简单快速的数据处理，用于实时监控。通过测试，系统可以实现数据采集，处理和通信。

关键词：温湿度传感器，C8051F060，数据采集器，CANbus

1 介绍

在实际生产中很多情况下都要考虑温湿度环境的影响和精确控制，如食品储存和烟草生产，自动控制空调，汽车等。

由于IC制造技术的不断提高，出现了高性能，高可靠性的单芯片DAS数据采集系统。数据采集技术已经成为一门专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用，数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用需求通过简单的增加和改变模块，并结合系统编程，可以扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

温湿度数据采集系统总是有关的科研单位和公司致力于开发项目，其早期系统在单片计算机8031核心，使用热敏电阻和湿敏电容作为温度传感器和湿度传感器，整个系统虽然成本低，但体积大，精度低，通信距离受限，通用性差，为克服这些缺点，本文研究基于单片机的温湿度数据采集系统，实现对仓库场景 的温湿度监控，具有实时性好，精度高，操作简单方便，信号收发器易于维护和使用等优点。

2 温湿度数据采集系统易于使用

1. C8051微控制器的推出

为便于系统扩展，并与其他兼容性和单片机系统兼容，使用C8051F060。 C8051F060是完全集成的混合信号芯片系统类型，带有59个单片机数字VO引脚，片内集成了两个16位ADC，64KB 1Msps 在系统编程的FLASH存储器中，4352个字节的片段。RAM，外部数据存储接口的可寻址64KB地址空间，SPI的硬件实现，SM Bus / 12C和两个UART串行接口，控制器LAN控制器，5个通用16位定时器，可编程计数器阵列，VDD监视器和温度传感器，两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。

1. 温度和湿度传感器

本文采用瑞士盛世瑞安传感器公司（SENSIRION）集成成型和湿度传感器设计SHT75作为系统中的核心传感单元，基于任务要求使用具有高精度的数字式温湿度传感器SHT75，提供整体校准数字输出。 SHT75采用CMOS专利技术开发的高集成度湿度传感器芯片，确保产品具有高可靠性和出色的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合物湿度敏感元件和一个带有温度敏感元件的间隙材料，两个敏感元件和一个A14 A/D转换器和一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越，响应速度快（4秒），抗干扰能力强，测量精度高preClSlon（测温精密数控0.3“C，湿度测量精度高达1.8％RH），体积小，功耗低等特点。 芯片温室中极其精确的校准常数，镜面凝聚仪作为参考。通过校准系数将程序存储在芯片本身的OTP存储器中。通过两线串行接口和内部电压调节，使外围系统集成快速简单。

1. 现场总线CAN

CAN都称为“控制器”，即控制器局域网，是目前世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN首次出现在19世纪后期的汽车工业，由德国博世公司率先提出，目的是解决现代汽车在大型电子设备间的通信问题。它具有通信速度快，可靠性高，连接方便，性价比高等特点，是一种有效支持串行通信网络的分布式控制或实时控制，在行业内得到了迅速发展。现在可以将高速网络的应用范围从低成本到更高线路网络，可用于汽车系统，农业机械和技术设备以及几乎任何类型的工业自动化数据通信。

3 基于单片微机温湿度数据采集

通过CS051F060单片机控制SHT75数字式温湿度传感器测量库房温湿度，并通过总线接口CS051F060单片机系统发送数据，经单片机简单快速处理后通过CAN总线接口传送至PC监视器。

1. CAN传输驱动模块

CAN发送驱动模块由单片机硬件CS051F060，高速光TLP113和隔离TJAI050高速CAN收发器等组成。其中，CS051F060实现应用层功能的CAN总线，TJAI050实现CAN总线物理层和数据链路层功能。该模块主要用于上位机发送温湿度数据并接受控制指令。

TJAI050 CAN可提供差分总线发送功能，CAN可提供差分接受控制器功能，并完全符合“ISO l1S9S”标准，高速率，低电磁辐射，宽范围的差分接收器输入，CAN抗电磁干扰，无需总线供电 节点不是由干扰造成的，发送数据（TXD）控制超时功能，在瞬时自动到总线引脚进行保护，输入级和3.3 V器件兼容，并为电源和焊盘提供过热保护，防止短路功能。

1. 电源电路

整个系统工作稳定，工作可靠，是稳定电源的基础，开关是由电源转换芯片MAX165S和电气隔离芯片B0505S等器件组成。通过外部电源5V转3.3 V电源模块MAX165S将5V转换为3.3 V，用于CS051F060单片机和SHT75数字温湿度传感器电源。5V电源隔离模块通过将5V电源隔离成两部分，分别为设备两端的每个灯。

电源隔离芯片B0505S具有恒压输入，单输出电压隔离效率高电源模块（SO％），体积小，价格低，可靠性高，抗冲击性强，隔离特性好，温度范围宽（40°C~ S5 °C）等。为保证模块的高效可靠运行，可额定负载，并在输出5％~ 100％负载之间，应避免长期工作在空载状态。

1. 温度和湿度数据采集和处理

温湿度数据采集系统由以下部分组成：1）湿度传感器SHT75; 2）CS051F60微控制器，3）CAN总线接口电路4）PC。 系统框架如图一所示。

图1.系统图表

使用CS051F060单片机的P2.6口虚拟DATA，使用OATA P2.0口虚拟时钟线，从而直接与SHT75数字温湿度传感器相连并进行控制，上电SHUT后的10ms时间后进入睡眠模式， 在此之前不应传输任何订单。当使OATA线处于高电平时，触发SCK九次以上（包含九次），然后发送“传输启动”命令来激活SHT75，芯片被唤醒。然后，测量命令（测量温度命令00000011，测量相对湿度命令为00000101），I1C将启动SCK，直到完成测量。 然后再进入低电平，I1C再次重启SCI，然后传输两个测量数据字节，I1C数据必须绘制成低电平，每个字节能产生响应信号。从最高位（MSB）到字节对齐（LSB）的传输顺序。

当传感器重新接通电源时，程序将进入等待外部指令周期。如果接受让传感器的指令，传感器和测量过程将启动温度或湿度的实时数据采集和存储，等待PC需要几个命令。 下面的程序流程图。

图2.温度和湿度数据采集过程

由于SHT75采集的数据的温度和湿度必须非线性补偿才能获得实际的环境温度和湿度。为了补偿非线性湿度传感器获得准确数据，请使用以下类型（1）校正输出值：

RH1 = C1 C2 * SORH C3S0RH2 (1)

其中：RH1补偿SORH湿度值，SHT75输出8位或12位湿度传感器值; C1，C2和C2值，如表I所示，并输出有关的湿度数据。中位数

表I 湿度变换系数

当测量温度大于25°C时，为了补偿湿度测量影响的温度，使用类型（2）校正输出值

RHtrue = (T - 25) (tl t2 * SORH) RH1 (2)

其中：RHtrue RH1补偿温度影响后的湿度值，tl和t2值如图2所示，并输出湿度数据位

表II 温度补偿系数

SHT75通过间隙材料PTAT（与绝对温度成正比）温度传感器的r＆d具有优异的线性度。 以下公式将提供SHT75温度数字输出转换

Temperature = dl d2 * SOT

其中：用于SHT75 SOT输出12或14个温度测量值。 D1和SHT75的工作电压有关，d2和温度数据位的输出关于这样的表3显示：

表III 温度转换系数

1. 温度和湿度采集软件部分

在本文中，用于Silicon Laboratories IDE的软件。 程序主要针对传感器的操作，采集温湿度数据处理和扫描通讯。 并且湿度传感器接收到PC发来的数据传输命令，开始提取温度和湿度采集存储在C8051F060 RAM中的数据的温度和湿度，然后开始扫描传输，上位机传输数据。

Silicon Labs CAN工作的比特率可以达到1 m bit / SEC，在选定的数据传输物理限制条件下，实际速率可能受CAN总线的影响。扫描处理器32可以配置为发送或接收数据的新闻对象。 输入数据，消息对象及其存储在RAM CAN消息中的标志掩码。所有发送和接收数据的过滤协议都由CAN处理完成，不需要CIP控制器--51的干预，这会使CPU的CAN通信带宽最小。 CIP-51通过特殊功能寄存器配置CAN控制器，读取接收到的数据并准备发送数据。 CAN控制器时钟等于CIP-51 MCU时钟（SYSCLK）。

4 结果的测试和分析

本文介绍了调试好的系统，并分别进行了静态和动态测试，收集了实验数据。从单片机的存储器读出数据如图3所示，该系统可以完成温湿度数据的采集，处理，并可以实时监控环境监控。

图3.接收日期接口

将单片机硬件系统和调节电路以及湿度传感器信号传送到整个调试，温湿度数据采集系统中测试。

图4.用于收集数据的温度和湿度数据采集试验

5 结论

本文主要采用C8051F060单片机控制SHT75数字式温湿度传感器采集库房温度，并将湿度的CAN总线通过数据实时丢到PC监控器。在数据通信方面，采用CAN总线，因此CAN有效提高了测量精度，温湿度传感器采用了全数字输出，使电路简单，测量精度高。

致谢

基金项目：50535030微机电系统（MEMS）测试测量技术与理论研究0作者简介：徐岩（1985-），山西太原硕士研究方向：MEMS器件系统。

参考文献

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