1. 概述

　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、氣象、環(huán)保,、國防,、科研、航天等部門經(jīng)常需要對環(huán)境溫度和濕度進行測量,。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,，人們越來越重視濕度和溫度的檢測及控制并進行了大量的研究工作，尤其是在現(xiàn)場環(huán)境惡劣的情況下,，如何實時對溫濕度進行準確有效的測量,，顯得尤為重要。因而,，針對手持式的近距離測量以及長距離布線傳送可操作性不高的狀況,，本文提出了利用紅外通信技術(shù)，結(jié)合高精度的溫濕度一體化傳感器,，設(shè)計出基于紅外通信的溫濕度一體化變送器,。

　　紅外通信是一種無線、非接觸控制技術(shù),，具有抗干擾能力強,，信息傳輸可靠，功耗低,，成本低,，易實現(xiàn)等顯著優(yōu)點,，已被諸多電子設(shè)備廣泛采用，并越來越多的應(yīng)用到計算機系統(tǒng)中,。

　　紅外通信主要由發(fā)送和接收兩個部分組成,。發(fā)送端采用單片機將待發(fā)送的二進制信號編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號,。紅外接收端接收紅外信號,，同時對信號進行放大、檢波,、整形后得到TTL電平的編碼信號,，再送給單片機，經(jīng)單片機解碼并做出相關(guān)處理,。

　　2. 二進制信號的調(diào)制解調(diào)

　　紅外通信發(fā)射的指令是用二進制數(shù)表示的,，通常發(fā)射指令時都用方波載波信號將這些二進制數(shù)調(diào)制成一系列的脈沖串信號，常用的調(diào)制方法是脈沖寬度（PWM）調(diào)制和脈沖位置（PPM）調(diào)制兩種,。

　　本文采用PWM調(diào)制碼,，它的組成為9ms高電平和4ms低電平引導(dǎo)脈沖，16位系統(tǒng)識別碼,，8位數(shù)據(jù)正碼和8位數(shù)據(jù)反碼,，我們要提取的就是數(shù)據(jù)碼。一個PWM碼的“0”是由一個0.58ms的低電平和一個0.58ms的高電平組成,，“1”是由一個0.58ms的低電平地和一個1.58ms的高電平組成,。

　　二進制信號的調(diào)制由紅外發(fā)射電路的單片機來完成，它把編碼后的二進制信號調(diào)制成頻率為38KHz（本文選用HS0038作為紅外接收頭,，接收頻率為38kHz）的間斷脈沖串,，相當于用二進制信號的編碼乘以頻率為38KHz的脈沖信號得到的間斷脈沖串，即是調(diào)制后用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的信號,。

　　二進制信號的解調(diào)由一體化紅外接收頭HS0038來完成,，在輸入有脈沖串時，輸出端輸出低電平,，否則輸出高電平,。

　　二進制信號的解碼由紅外接收電路單片機來完成，它把紅外接收頭送來的二進制編碼波形通過解碼,，還原出發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù),。

　　3．系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　紅外發(fā)射部分電路框圖如圖1所示，主要由單片機PIC16F73及外部電路構(gòu)成,。PIC16F73單片機是由美國Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機,，采用Harvard結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使指令執(zhí)行和取指操作可重疊進行，從而達到很高的執(zhí)行速度,。它只有35條單字節(jié)指令,，除了跳轉(zhuǎn)指令是2周期指令外，其它指令都是單周期指令,。相對于其它的8位單片機節(jié)省了1/2的程序空間，并具有4:1的速度優(yōu)勢,。

圖1 紅外發(fā)射電路

　　圖1中SE303是紅外發(fā)射二極管,，當PB0 = 1時，三極管9013導(dǎo)通,，SE303通電發(fā)射紅外線,，實際上發(fā)射的是頻率為38KHz的脈沖串；反之,，三極管9013截止,，SE303截止，不發(fā)射,。

　　圖1中SHT75是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器,。它是一種全新的基于智能設(shè)計理念的傳感器，該傳感器將溫度檢測,、濕度檢測,、信號處理、數(shù)字變換,、串行數(shù)字通信接口,、數(shù)字校準全部集成到一個高集成度、體積極小的芯片當中,，利用它可以同時測量目標對象的溫度和濕度,，并實現(xiàn)數(shù)字式輸出。

　　CMOSens技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起,，而且還將信號放大器,、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準數(shù)據(jù)存儲器等電路全部集成在一個芯片內(nèi),。由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起,，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能,。首先是傳感器信號強度的增加,，增強了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性,，而A/D轉(zhuǎn)換的同時完成,，則降低了傳感器對干擾的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性,。

圖2 紅外接收電路

　　紅外接收部分電路框圖如圖2所示,，在本系統(tǒng)中我們采用紅外一體化接收頭HS0038，HS0038是黑色環(huán)氧樹脂封裝,，不受日光,、熒光燈等光源干擾，內(nèi)附磁屏蔽,，功耗低,，靈敏度高。在用小功率發(fā)射管發(fā)射信號情況下,，其接收距離可達35m,，它能與TTL、COMS電路兼容,。HS0038為直立側(cè)面收光型,，它接收紅外信號頻率為38kHz，周期約26μs,，同時能對信號進行放大,、檢波、整形,，得到TTL 電平的編碼信號,。三個管腳分別是地、＋5V電源,、解調(diào)信號輸出端,。

　　PIC16F73經(jīng)過解碼得到SHT75的溫度和濕度數(shù)據(jù)后，通過溫濕度處理程序進行線性補償?shù)忍幚?，隨后將結(jié)果送LED顯示,，同時也將結(jié)果通過PWM以及硬件電路，輸出工程上常用的4-20mA或者0-10V,。

　　4．系統(tǒng)各部分功能的實現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件用C語言編寫,，采用模塊化設(shè)計方法。分為發(fā)射部分程序和接收部分程序,。發(fā)射部分包括主程序,、編碼程序、發(fā)射程序等,；接受部分包括主程序,、解碼程序、溫濕度數(shù)據(jù)處理程序,、LED顯示程序,、93C46讀寫程序,、定時驅(qū)動程序、中斷服務(wù)程序,、PWM輸出程序等,。

　　主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后首先進行系統(tǒng)初始化操作,，初始化主要完成對芯片內(nèi)部晶振的設(shè)定,，所用芯片管腳的定義，雙向管腳輸入輸出方向的設(shè)定,，對定時器的初始化,，PWM模塊的初始化，中斷的初始化等,。對芯片管腳的定義要做到資源的合理調(diào)配，比如說每個IO在各個時間段用作什么功能要分配好,，中斷初始化是因為在主程序運行起來后就要隨時等待中斷信號,，實現(xiàn)系統(tǒng)的各部分功能，中斷初始化主要是定義中斷的觸發(fā)方式,、中斷形式,、中斷服務(wù)程序等。初始化完成后,，系統(tǒng)開始正常運轉(zhuǎn),，進行溫濕度檢測、編碼,、紅外發(fā)射,、接收、解碼,、轉(zhuǎn)換,、計算等，除此之外還要進行PWM輸出等操作,。

　　溫濕度數(shù)據(jù)處理程序主要包括對溫度值和濕度值的檢測,、計算、對結(jié)果進行線性補償?shù)?。SHT75的相對濕度數(shù)字輸出特性曲線如圖3所示,，由圖3可以看出，濕度輸出特性呈一定的非線性,，因而要采用公式(1)進行修正,，其中SORH 為傳感器相對濕度測量值，各系數(shù)如表1所示,。

 
表1 線性補償系數(shù)

圖3 濕度輸出特性

　　濕度值還與當前溫度值相關(guān),，因此還要對其進行溫度補償，補償公式如公式(2)所示，各系數(shù)如表2所示,。

表2 溫度補償系數(shù)

　　除此之外,，溫濕度處理程序還具有以下功能：一是設(shè)定溫度濕度測量的分辨率，默認的測量分辨率分別為14bit(溫度),、12bit(濕度),，也可分別降至12bit和8bit，通常在高速或超低功耗的應(yīng)用中采用該功能,；二是“電量不足監(jiān)測功能,，該功能可監(jiān)測到Vdd電壓低于2.47V(SHT75正常工作電壓范圍是2.4V～5.5V)的狀態(tài)，精度為±0.05V,；三是可以通過程序控制芯片上集成的可通斷加熱元件,，接通后可將SHT75的溫度提高大約5℃(9℉)，功耗增加8mA@5V,，此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值,，可以綜合驗證兩個傳感器元件的性能，在高濕(>95%RH)環(huán)境中,，加熱傳感器還可以預(yù)防結(jié)露,，同時縮短響應(yīng)時間，提高精度,。

　　LED共4位,，每位8段，共占用12個IO通道,。LED用于實時顯示當前溫度值或濕度值,。4位LED中第一位用于區(qū)分溫度值和濕度值，如果該位不顯示或者是一個負號(-)就代表溫度,，如果該位顯示(H)就代表濕度,。后三位顯示相應(yīng)的數(shù)值，其中最后一位是小數(shù),。

　　結(jié)合93C46存儲芯片修改溫度和濕度上下限報警值,。在測量過程中，如果溫度值或者濕度值達到報警值,，蜂鳴器就會發(fā)出聲音,。

　　5．CRC校驗

　　在現(xiàn)代工業(yè)中，利用微控制器進行數(shù)據(jù)通訊的工業(yè)控制越來越廣泛,。由于傳輸距離,、現(xiàn)場狀況等諸多可能出現(xiàn)不確定因素的影響，微控制器與傳感器之間的通訊數(shù)據(jù)常會發(fā)生難以預(yù)測的錯誤,。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，SHT75內(nèi)部集成了循環(huán)冗余校驗(CRC-cyclicredundancy check)硬件電路,。CRC是一種強有力的錯誤檢測技術(shù)，在傳送信息時,，發(fā)送方根據(jù)所發(fā)送信息的具體內(nèi)容計算出一個稱為CRC的值,，并連同信息串一起發(fā)送；而接收方則根據(jù)接收到的信息串用同樣的方法生成一個CRC值,，若與收到的CRC值一致,，則可以認為信息傳送正確。使用CRC雖然不能保證100％檢測到錯誤,，但它可以極大地增加發(fā)現(xiàn)錯誤的機會,，而且它只需要極少的硬件消耗就能實現(xiàn)，所以CRC被廣泛用作校驗手段,。

　　SHT75采用的CRC碼(又稱為多項式碼)為,，它能檢測出下列錯誤：所有的雙錯、奇數(shù)位錯,、突發(fā)長度小于等于8的突發(fā)錯,、絕大部分突發(fā)長度較長的突發(fā)錯。測量完溫度(或濕度)后,，根據(jù)測量的信息生成一個CRC值,，然后一同發(fā)送到微控制器中去,。微控制器根據(jù)接收到的信息按照同樣的方法生成一個CRC值,，若與接收到的CRC值一致，則可以認為信息傳送正確,；否則要求傳感器重新測量數(shù)據(jù)然后再按同樣的方式發(fā)送,。

　　SHT75的CRC值生成算法是根據(jù)SHT75的硬件生成電路來模擬的，硬件生成電路結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4CRC值硬件生成電路

　　CRC算法如下:

　　(1)將CRC寄存器的值初始化為SHT75狀態(tài)寄存器的值(0000 3 2 1 0 s s s s ),，缺省值為00H,；

　　(2)將每一位數(shù)據(jù)與bit7比較；

　　(3)如果該數(shù)據(jù)位與bit7相同,，將CRC寄存器中的值向右移位,，令bit0=‘0’；否則將CRC寄存器中的值向右移位,，然后將bit4和bit5反相,，再令bit0=‘1’；

　　(4)接收新的數(shù)據(jù)位,，然后重復(fù)(2),；

　　(5)SHT75生成的CRC值必須倒轉(zhuǎn)(bit0=bit7，bit1=bit6,，. . . ,，bit7=bit0)后才能與最終計算結(jié)果對比,。

　　6. 實驗及結(jié)果

　　完成開發(fā)調(diào)試工作后，對產(chǎn)品進行了長時間的穩(wěn)定性測試,，對存在的問題進行了改進,。為了該變送器能更好地應(yīng)用在實際項目中，還將其送到賽寶計量檢測中心進行計量,。結(jié)果如表3 所示,。

　　7. 結(jié)語和展望

　　該溫濕度一體化變送器結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定,、測量精度高,、輸出信號線性度好、調(diào)試及標定方便,、產(chǎn)品一致性好,，經(jīng)過了計量單位的計量認證，并且成功地應(yīng)用在玻璃廠生產(chǎn)線上,?；谝陨咸攸c，這種基于紅外通信技術(shù)的溫濕度一體化變送器具有非常廣泛的應(yīng)用前景,。

　　在接下來的工作中,，要不斷完善、改進本產(chǎn)品,。為了將實時采集的各點溫濕度值保存下來,，以便于對歷史數(shù)據(jù)查閱和繪制出實時或歷史溫濕度值變化曲線，計劃將93C46換成存儲容量更大的FM24C256,，該存儲器容量為32Kbyte,。另外，為了便于按采集的日期及時間保存溫濕度值,，可以擴展實時日歷時鐘芯片,，可與FM24C256掛在同一條I 2 C總線上。