基于RS 485總線的土壤溫濕度集成傳感器

劉信宏 解魯旭 趙祺?

摘 要：文中基于RS 485總線設計的溫濕度傳感器，具有對土壤溫濕度進行監測的功能，它由溫濕度傳感芯片、單片機和RS 485通信模塊組成，其中溫濕度傳感芯片負責溫濕度的采集，并將采集到的數據傳輸到單片機，單片機接收后對數據進行處理并輸送到RS 485總線。傳感器將溫濕度傳感芯片、單片機和通信模塊集成為一個模塊，使其能夠將溫濕度傳感芯片輸出的信號經單片機的處理，輸出用RS 485總線傳輸的通用信號。

關鍵詞：RS 485總線;土壤溫濕度;集成模塊

1 傳感器整體結構

傳感器集成了溫濕度傳感器芯片、單片機和通信模塊，采用四線制結構，分別為電源線VCC、地線GND和兩個數據線A，B。其中溫濕度傳感器芯片采用SHT10，單片機采用STC15W204S，RS 485通信。該傳感器用于采集環境的溫濕度，可應用到支持RS 485通信的系統中，作為前段數據采集模塊使用，具有良好的可移植性。

該傳感器是一種智能傳感控制器，它相對傳統普通傳感器的優勢在于不僅能夠做到單純的測量，而且能在內部對信號進行處理和轉換。傳感器內部結構如圖1所示。

1.1 技術參數傳感器技術參數見表1所列。

本傳感器采用STC15W202S單片機，其內部集成有高可靠復位電路，ISP編程時16級復位門檻電壓可選，且其內部集成高精度R/C時鐘（+/-0.3%），+/-1%溫飄（-40～+85 ℃），常溫下溫飄為+/-0.6%（-20～+65 ℃），5～35 MHz可設置，因此無需外部晶振和外部復位電路。STC15W202S單片機需要連接電源引腳和接地引腳，單片機的P33口接收測溫元件輸出的數據，P32口向測溫元件輸出時鐘信號，P31和P30口向MAX13487輸出信號。STC15W202S連線如圖3所示。

2.2 傳感器電路設計溫濕度檢測選用SHT10溫濕度傳感器，SHT10與單片機通過引腳DATA通信，將2號引腳DATA接到單片機P33口，1號引腳接5 V電源，3號引腳接單片機P32口，4號引腳接地，連線如圖4所示。

2.3 RS 485通信電路設計本方案采用的MAX13487芯片是用于RS 485通信的低功耗收發器，每個器件均含一路驅動器和一路接收器，具有熱插拔功能，可消除上電或熱插入時總線上的故障瞬變信號，同時具有Maxim自動方向控制功能MAX13487的2，3引腳為接收器輸出使能和關斷控制，在此設計中兩引腳始終處于使能狀態，因此兩引腳均接高電平。

1，4兩引腳為接收器輸入和驅動器輸入，接收來自單片機的信號，因此與單片機STC15W202S的信號輸出口P3.0和P3.1相連，如圖5，圖6所示。

2.4 各模塊間連接單片機STC15W202S的P33口接收測溫元件輸出的數據，P32口向測溫元件輸出時鐘信號，P31和P30口向MAX13487輸出信號。

SHT10與單片機通過引腳DATA通信，將2號引腳DATA接到單片機PC33口。

2.5 護套的選擇土壤溫濕度傳感器需做雙防水處理，防凝露損壞。即使埋在土里該傳感器仍舊測量土壤中空氣的相對濕度，而非土壤濕度。護套采用PE材料，防水透氣，水分子能夠進入護套，水滴由于表面張力而無法進入護套。

2.6 電路板的灌封本傳感器采用有機硅灌封膠灌封。有機硅灌封膠具有防潮、防塵、防腐蝕、防震等作用，可提高傳感器使用性能和穩定參數，其在硫化前是液體，便于灌注，使用方便。應用有機硅凝膠進行灌封時，無應力收縮，可深層硫化，無任何腐蝕，透明硅膠在硫化后變成透明彈性體，膠層封裝的元器件清晰可見，可以用針逐個測量元件參數，便于檢測與返修。

3 溫濕度傳感器軟件設計

3.1 原理傳感器軟件設計原理如圖7所示。

3.2 溫濕度傳感器與單片機通信方式DATA用于微處理器與SHT10之間的通信和同步，采用單總線數據格式，一次通信時間約4 ms，數據分為小數部分和整數部分。

一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。

數據格式：8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+

8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和。

數據傳送正確時校驗和數據等于“8 bit濕度整數數據+

8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據”所得結果的末8位。

3.2.1 發送指令用一組“啟動傳輸”時序來完成數據傳輸的初始化，當SCK 時鐘高電平時DATA翻轉為低電平，之后SCK變為低電平，當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。“啟動傳輸”時序如圖8所示。

3.2.2 溫濕度檢測發布一組測量命令（‘00000101表示相對濕度RH，‘00000011表示溫度T）后，控制器要等待測量結束，該過程需要約20/80/320 ms，分別對應8/12/14 bit測量。確切時間隨內部晶振速度變化，變化范圍為30%。SHT1x通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量結束。控制器再次觸發SCK時鐘前，必須等待“數據備妥”信號以讀出數據。檢測數據提前存儲，方便控制器繼續執行其他任務時讀取數據。之后傳輸2 B的測量數據和1 B的CRC奇偶校驗。uC需通過下拉DATA為低電平以確認每個字節，所有數據從MSB開始，右值有效，在收到CRC確認位后，表明通信結束。

3.2.3 通信復位時序如果與SHT1x通信中斷，可通過下列信號時序復位：當DATA保持高電平時，觸發SCK時鐘9次或更多。接著發送一個“傳輸啟動”時序，這些時序只復位串口，狀態寄存器內容仍然保留。復位時序如圖9所示。

4 本裝置的主要創新點

（1）邏輯判斷，統計處理功能。本傳感器能分析、統計和修正監測數據，進行非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應及緩慢漂移等誤差補償。根據系統工作情況決策各部分供電和向上位計算機傳送數據的速率，使系統工作在最低功耗狀態和傳送效率優化狀態。

（2）本系統設計的防水型土壤參數傳感器為智能傳感控制器，將傳感器與單片機集成為單獨的模塊，使其能夠將溫濕度傳感芯片SHD10輸出的信號經單片機的處理，變換為可用RS 485總線傳輸的通用信號。此舉不僅提高了檢測原件的精度，免除了傳輸過程中由信號衰減產生的誤差，另一方面提高了設備的通用性，克服了傳感器引線不標準的缺陷，具有更好的經濟與實用價值。