智能溫室溫濕度檢測實驗系統(tǒng)電路設(shè)計與仿真

劉 德 全(寧夏師范學(xué)院，寧夏 固原 756000)

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智能溫室溫濕度檢測實驗系統(tǒng)電路設(shè)計與仿真

劉 德 全
(寧夏師范學(xué)院，寧夏 固原 756000)

為了實現(xiàn)溫室中的溫濕度智能監(jiān)測，本文設(shè)計了一款以PIC18F25K20嵌入式微控制器單片機作為上位機，以AM2302溫濕度傳感器作為下位機，采用EDA虛擬仿真技術(shù)對電路進行了仿真，實現(xiàn)了溫濕度值的采集和實時顯示；通過圖表仿真技術(shù)捕捉到AM2302的時序圖，分析時序圖驗證了AM2303傳感器的單總線通信協(xié)議算法。在實際實驗中，該電路實現(xiàn)了溫室溫濕度實時采集與顯示，該電路還具有成本低、功耗小，性能穩(wěn)定等特點，在實際應(yīng)用可以用干電池或者太陽能作為電源。

智能溫室； 溫濕度采集； PIC18F25K20； AM2302

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的問題。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)能夠有效提高資源的利用率、改善環(huán)境、降低浪費[1]。文獻[2]用數(shù)字型高精度溫濕度傳感器SHT10實現(xiàn)了溫室溫濕度的顯示，但SHT10上位機之間通信必需一個SCL同步時鐘信號，如果有一同步信號不穩(wěn)定，很容易導(dǎo)致整個采集系統(tǒng)不穩(wěn)定；文獻[3-4]研究了以DS18B20傳感器作為溫度采集，以SHT11/DHT21作為濕度傳感器，實現(xiàn)了溫室的多路溫濕度的檢測，但該電路采用了兩個傳感器，增加了設(shè)備成本，提高了功耗；文獻[5]利用AM2302數(shù)字式溫濕度傳感器實現(xiàn)了火災(zāi)系統(tǒng)的溫濕度檢測；參考文獻[6]提出了基于溫濕度的多模式溫室設(shè)備控制策略的設(shè)計。

1 系統(tǒng)元器件選擇

1.1 溫濕度傳感器選擇

本系統(tǒng)采用AM2302溫濕度復(fù)合型傳感器，該傳感器采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，內(nèi)含一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與高性能的8位單片機相連，因此其輸出的數(shù)字信號已經(jīng)進行過校準，因此AM2302溫濕度傳感器具有超快相應(yīng)、可靠性、穩(wěn)定性和很強的抗干擾能。其信號以40位串行數(shù)據(jù)輸出，信號傳輸距離遠，可達20 m以上。AM2302體積很小，為4-SIP封裝，各引腳功能如表1所示[7-11]。

表1 AM2303引腳功能

1.2 單片機選型

本系統(tǒng)單片機選用高性能8位單片機PIC18F25K20，該款單片機采用了最新的Microchip技術(shù)，融合多種先進的納瓦技術(shù)，如電源管理模式、1.8 V至3.6 V工作電壓范圍及高效的片外設(shè)，可實現(xiàn)極佳的功耗控制性能?？赏ㄟ^內(nèi)置振蕩器在3V的工作電壓下實現(xiàn)16 MIPS(64 MHz)的速度。因此具有低功耗、低成本和高性能的特征。首先，PIC18F25K20內(nèi)集成RISC CPU，主要包括內(nèi)置32KB的Flash ROM(code)、1536B的RAM(data)、256B EPROM、16位指令、8為數(shù)據(jù)、可編程中斷優(yōu)先級別的中斷源、31級軟件訪問硬件堆棧、8×8單周期硬件乘法器和可支持C語言代碼優(yōu)化；其此PIC18F25K20擁有靈活的振蕩器結(jié)構(gòu)，如精密的16 MHz內(nèi)部振蕩器、4個鎖相回路(phase lock loop，PLL)等；另外PIC18F25K20還有A-C&E端口、2個CCP(Capture/Compare/PWM)、主同步串行端口(Master Synchronous Serial Port，MSSP)模塊和增強型通用同步異步接收發(fā)射器等(Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，EUSART)，PIC18F25K20其他特性請參閱文獻[12]。

2 仿真電路設(shè)計

系統(tǒng)原理圖見圖1。圖中，PIC18F25K20和顯示其LM016L組成上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和顯示，由于是仿真電路，所以PIC18F25K20的最小系統(tǒng)其他電路沒有給出。下位機由AM2302傳感器組成，實現(xiàn)溫室內(nèi)濕度和溫度的實時采集。在原理圖中采用英國Labcenter公司EDA軟件—Proteus進行電路圖設(shè)計與仿真[13-15]，在Proteus仿真庫中提供了濕度/溫度參數(shù)可調(diào)的AM2302元器件，通過符號可在溫度和濕度參數(shù)之間進行切換，通過符號實現(xiàn)參數(shù)值的增加、減小。

圖1 溫濕度采集系統(tǒng)原理圖

3 軟件算法實現(xiàn)

3.1 單總線數(shù)據(jù)格式

AM2302溫濕度傳感器與PIC18F25K20單片機之間采用單總線通信方式進行通信，在不通信的情況下，總線(SDA/DATA)應(yīng)保持高電平，因此在微處理器與總線之間要有上拉電阻，上拉電阻的阻值與總線的長度有關(guān)，當總線長度低于30 m時，典型值為5.1 kΩ，大于30 m時根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)上拉電阻。當上位機沒有發(fā)出起始信號時，傳感器處于低功耗模式，一旦上位機發(fā)出起始/開始信號，傳感器進行入高速轉(zhuǎn)換模式，采集當前的濕度、溫度值，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號從總線輸出，其數(shù)據(jù)格式為40 bit，且高位在前，具體數(shù)據(jù)格式如圖2所示，各數(shù)據(jù)功能如表2所示[16-17]。

圖2 40位數(shù)據(jù)格式

在圖1中，濕度值為64.9%，溫度值為36.1 °C，則輸出的濕度值649(64.9×10=649，十進制)，其對應(yīng)的二進制為0000 0010 1000 1001；輸出的溫度值為361(36.1×10=361，十進制)，其對應(yīng)的二進制為0000 0001 0110 1001。由此可以推出8bit校驗值為1111 0101(0000 0010+1000 10001+0000 0001+0110 1001)。因此40bit數(shù)據(jù)為：0000 0010 1000 1001 0000 0001 0110 1001 1111 0101。

表2 40位數(shù)據(jù)格式說明

3.2 單總線通信協(xié)議

上位機與傳感器之間的通信要嚴格采用上述的數(shù)據(jù)格式，為了保證數(shù)據(jù)的正確接收，要嚴格遵循圖3所示的通信協(xié)議。該1-Wire通信協(xié)議完全不同Maxim/Dallas公司的1-Wire協(xié)議。

從圖3可以看出，當上位機發(fā)出開始信號后，即將SDA總線拉至低電平且至少保持1～20 ms，上位機再將總線拉高20～40μs后釋放總線。當AM2302檢測到起始信號后，從低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換為快速轉(zhuǎn)換模式，發(fā)出相應(yīng)信號，即AM2302將總線拉至低電平，低電平信號至少保持在50～80 μs，隨后AM2302進入準備發(fā)送數(shù)據(jù)階段，即將總線電平拉至高平，高電平信號至少保持在50～80 μs。響應(yīng)信號結(jié)束，AM2302以一定的時間間隔(Timer slot)將濕度、溫度數(shù)字信號值發(fā)送給上位機，數(shù)字信號電平如果保持時間20～28 μs，認為是“0”電平，如果信號保持在70 μs左右，認為是“1”電平。

(a) AM2320溫濕度傳感器與上位機通信時序圖

(b) AM2320溫濕度傳感器與上位機通信時間時序圖

(c) 輸出信號0

3.3 算法流程圖

根據(jù)上述通信協(xié)議，編寫相應(yīng)的算法，具體程序流程圖如圖4所示。

3.4 電路仿真及AM2302時序捕捉

在Proteus平臺繪制原理圖，并編寫程序，最后軟硬件調(diào)試，通過改變AM2302的溫濕度值，可以看到LCD顯示器能夠?qū)崟r顯示濕度、溫度值，說明設(shè)計是成功的，效果圖如圖1所示。為了驗證上述AM2302單總線通信協(xié)議，在此測試了其時序圖[10-12]，設(shè)起始信號(低電平)時間18 ms，等待響應(yīng)時間30 μs，傳感器響應(yīng)時間50 μs，發(fā)送信號時間間隙80 μs，“1”信號持續(xù)時間70 μs，“0”信號持續(xù)時間25 μs。對生成的時序如圖5所示，對圖5中的86個脈沖持續(xù)時間(注意圖5中，開始的信號為高位，令第一個脈沖序號為1，以此類推。)進行測試，測試結(jié)果以序號:時寬格式表示。

在第5個脈沖開始，每隔80 μs輸出串行數(shù)據(jù)0000 0010 1000 1001 0000 0001 0110 1001 1111 0101，這個數(shù)據(jù)與3.1節(jié)分析的數(shù)據(jù)是一致的。說明理論分析與實際是相吻合的，方法是正確、可行的。

4 結(jié) 語

通過AM2302通信協(xié)議分析，建立了PIC18F25K20單片機與AM2302傳感器之間的通訊協(xié)議，在Proteus環(huán)境進行電路設(shè)計與仿真，實現(xiàn)濕度、溫度數(shù)據(jù)實時采集和顯示，驗證了分析方法的正確性。在實際應(yīng)用中，改電路性能穩(wěn)定，能夠滿足實際需求。

圖4 流程圖

圖5 AM2302傳感器測試時序圖

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·名人名言·

知識是一座寶庫，而實踐則是開啟寶庫的鑰匙。

——托馬斯·富勒

Design and Simulation of Intelligent Greenhouse Humidity and Temperature Measurement Experiment System

LIUDe-quan
(Ningxia Normal University， Guyuan 75600， China)

In order to realize intelligent monitoring of the temperature and humidity in the greenhouse, the paper presents a humidity and temperature acquisition system. The system includes a microcontroller which is based on an embedded microcontroller PIC18F25K20 as a host and AM2302 humidity and temperature sensor as a slave. By using the EDA virtual simulation technology to simulate the circuit, and realize the collection of data of temperature and humidity is realized and real-time displayed. The advanced simulation technology is used to capture sequence diagram of AM2302 sensor, and timing diagram analysis is used to verify the AM2303 sensor single and bus communication protocol. The circuit is with low cost, low-power consumption and high stability performance. In real application, it can use dry batteries or solar energy as a power source.

intelligent greenhouse; humidity and temperature acquisition; PIC18F25K20; AM2302

2014-06-12

寧夏師范學(xué)院科研基金項目(YB201448)；固原市科技支撐項目；寧夏師范學(xué)院2013年“本科質(zhì)量工程”項目(201312-10)

劉德全(1977-)，男，甘肅白銀人，碩士，講師，主要從事信號與信息處理研究。Tel.:0954-2079617;E-mail:ldqzhh@163.com

TP 23、F 303.2

A

1006-7167(2015)02-0092-04