0 引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，居民普遍使用電子溫度計(jì)或萬年歷自帶的溫度計(jì)來測量室內(nèi)溫度,，但是,，隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重及人們對生活質(zhì)量要求的提高，人們對室內(nèi)濕度,、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度的檢測也逐漸關(guān)注,。然而，目前為止適用于家居型檢測濕度,、光照強(qiáng)度及CO2濃度還沒有一種合適且適用的儀器,。小型倉庫中傳統(tǒng)的方法是采用濕度表、雙金屬式測量計(jì)和濕度試紙等測試器材,，通過人工進(jìn)行檢測,，對不符合溫度和濕度要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作,。這種人工測試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大,、隨機(jī)性大,。因此我們需要一種性價(jià)比較高的溫濕度測量儀。
本文設(shè)計(jì)研制一種新穎,、方便,、實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡單的多功能測量儀,，適用于家庭,、倉庫以及溫室等需要環(huán)境檢測的地方。設(shè)計(jì)通過LCD顯示所監(jiān)測的結(jié)果,，用戶可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果有效調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備,，從而達(dá)到理想的環(huán)境狀態(tài)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)任務(wù)
本文實(shí)現(xiàn)基于STC單片機(jī)的多功能測量系統(tǒng),，可以實(shí)現(xiàn)濕度檢測,、溫度檢測、CO2濃度檢測,、室內(nèi)光照強(qiáng)度檢測,、時(shí)間日期顯示的功能,。其中濕度的測量范圍為20～90％RH；溫度的檢測范圍為-55～+125℃,；CO2濃度測量范圍為350～10000ppmCO2,；室內(nèi)光照強(qiáng)度的測量范圍為0～2500lux；系統(tǒng)顯示當(dāng)前時(shí)間和日期,，并可以通過按鍵進(jìn)行修改當(dāng)前時(shí)間日期,。
1．2 設(shè)計(jì)方案及工作原理
多功能檢測系統(tǒng)包括：電源模塊、控制器,、溫度檢測模塊,、濕度檢測模塊,、照度檢測模塊,，CO2濃度檢測模塊、時(shí)鐘模塊,、鍵盤輸入模塊,、LCD顯示模塊。如圖1所示,。
本控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心,，該單片機(jī)具有高速、低功耗,、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn),，并且自帶8路10位精度AD轉(zhuǎn)換；溫濕度檢測由數(shù)字式的溫度檢測傳感器DS18B20和濕度檢測傳感器DTH11實(shí)現(xiàn),，由于數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量,，因此在數(shù)據(jù)處理方面比較簡單，且這兩款傳感器的性價(jià)比較高,；時(shí)鐘模塊則是應(yīng)用了比較常用的DS1302時(shí)鐘芯片,，通過控制器與時(shí)鐘芯片的通訊實(shí)現(xiàn)得到比較準(zhǔn)確的時(shí)間值，另外,，通過按鍵操作實(shí)現(xiàn)對時(shí)鐘的校準(zhǔn),；而對于照度和CO2濃度的檢測則比較復(fù)雜，由于硅光電池和CO2檢測傳感器輸出信號是微弱的模擬信號,，因此需要對得到的小信號進(jìn)行調(diào)理,，調(diào)理后的信號信息送入單片機(jī)的AD口，從而得到單片機(jī)可以處理的數(shù)字量,；所有檢測結(jié)果及日期時(shí)間的顯示都是由LCD實(shí)現(xiàn),；由于信號調(diào)理電路中放大器采用雙電源供電，因此電源模塊選用了交流220V轉(zhuǎn)±5V的電源模塊,。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 控制電路
系統(tǒng)的控制電路是以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心構(gòu)成的最小系統(tǒng),。另外，為方便程序下載，設(shè)計(jì)了基于CH340的程序下載接口電路,，電路圖如圖2所示,。
2．2 檢測電路
根據(jù)傳感器輸出信號的不同，可分為數(shù)字式傳感器和模擬式傳感器兩種,。信號類型的不同導(dǎo)致了檢測電路的不同,。
2．2．1 溫濕度檢測電路
由于溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DTH11均為數(shù)字量輸出，因此檢測電路十分簡單,，為了防止不確定信號的出現(xiàn),，需在信號的輸出端接4．7k的上拉電阻，如圖3所示,。
2．2．2 照度及CO2濃度檢測電路
由于光照檢測采用硅光電池,，信號為小信號的模擬量輸出，因此需要對信號進(jìn)行調(diào)理,。CO2傳感器MG811的輸出同樣為模擬量電壓小信號,。其參數(shù)如表1所示。
硅光電池測光強(qiáng)的原理是光生伏特效應(yīng),，即它是一種直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件,，由硅光電池的特性曲線可知，光伏電池輸出電流比輸出電壓的線性性要好,，因此在此檢測其電流特性,。由實(shí)驗(yàn)測試可得室內(nèi)的光照強(qiáng)度一般為0～2500lux，此時(shí)硅光電池的輸出電流在0～0．15mA左右,，在硅光電池兩端并聯(lián)一個(gè)100 Ω電阻,，可得此時(shí)的輸出電壓在0～15mV左右。
為了將小信號調(diào)理為可以適合單片機(jī)處理的信號,，對小信號進(jìn)行放大濾波處理,。首先對小信號進(jìn)行放大處理，這里采用高輸入阻抗的差分放大器,。其次,，放大器輸出的信號經(jīng)過二階有源低通濾波器。最后信號進(jìn)入單片機(jī)的AD口,。信號調(diào)理電路如圖4所示,。
(1)差放大電路
因?yàn)殡娐分蠷3=R4，R6=R8=R7=R9,，故可導(dǎo)出兩級差?？傇鲆鏋椋?br />
通常，第一級增益要盡量高,，第二級增益一般為1～2倍,，這里第一級選擇100倍,，第二級為1倍。則取R6=R7=R8=R9=10KΩ,，要求匹配性好,，一般用金屬膜精密電阻，阻值可在10KΩ幾百KΩ間選擇,。則
先定R5,，通常在1～10kΩ內(nèi)，這里取R5=1k Ω,，則可由上式求得R3=99R1=49．5 kΩ,。
取標(biāo)稱值51kΩ。通常R1和R2不要超過R5／2,，這里選R1=R2=510Ω,，用于保護(hù)運(yùn)放輸入級。
A1和A2應(yīng)選用低溫飄,、高KCMRR的運(yùn)放,，性能一致性要好,。
(2)有源低通濾波電路
由于濾波電路的輸入輸出信號為直流信號,，因此在計(jì)算時(shí)選取的截止頻率為3Hz。濾波電容C1=C2=1 μF,。
由式(3)(4)可得R=53078 Ω,，A0=2，所以在此取R10=R11=51k,。
信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后實(shí)際放大倍數(shù)A=200,。而對于CO2傳感器，根據(jù)輸入信號的不同,，選擇合適R3,、R4，其信號調(diào)理電路的增益為80,。
2．2．3 時(shí)鐘模塊
本設(shè)計(jì)選用美國Dallas公司推出的一種高性能,、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，芯片采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信,，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號和RAM數(shù)據(jù),。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分,、時(shí),、日、星期,、月和年,，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整,，且具有閏年補(bǔ)償功能。
工作電壓寬達(dá)2．5～5．5V,。采用雙電源供電(主電源和備用電源),，可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力,。電路連接如圖5所示,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)系統(tǒng)上電之后,，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化,；然后判斷標(biāo)志位確定當(dāng)前是否進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置，如果是,，則通過按鍵調(diào)節(jié)時(shí)鐘,，如果否，則采集所有數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理,；最后將采集來的數(shù)據(jù)通過LCD顯示出來,。系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。
3．2 部分檢測軟件設(shè)計(jì)
對于光照強(qiáng)度檢測和CO2濃度檢測,，存在模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化,，因此需要考慮AD轉(zhuǎn)換器的精度，為了得到較準(zhǔn)確的檢測值,，在此使用STC12C5A60S2自帶的10位AD轉(zhuǎn)換接口,，即其精度為1／(210-1)。
對于光照強(qiáng)度檢測,，經(jīng)信號調(diào)理電路后的輸出電壓為0～3V,，相應(yīng)的光照強(qiáng)度為0～2500lux，假設(shè)AD轉(zhuǎn)換后的值為A,，則此時(shí)對應(yīng)的光照強(qiáng)度為E,，如式(5)。
化簡得：E=(12500×A)／3069,。因此,，通過程序編寫可以實(shí)現(xiàn)對光照強(qiáng)度的檢測。
4 結(jié)論
設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2的多功能測量系統(tǒng),，通過理論分析與實(shí)際電路焊接以及相關(guān)程序的編寫,，設(shè)計(jì)出了實(shí)物。通過測試實(shí)現(xiàn)了溫濕度檢測,、CO2濃度檢測,、室內(nèi)照度檢測、時(shí)鐘顯示的功能,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好,，測量精度在實(shí)際計(jì)算誤差范圍內(nèi),。