一种便携式仓储温湿度检测仪的设计

目前在物流仓储中小型企业中, 温湿度检测主要靠人工方法, 且仓储中大多数的库存分散、占地面积大、需要测试点多[1], 传统人工检测方法因监测工作量大、效率低、误差大、测试精度低、随机性大、容易漏检[2], 或检测不够及时而造成库存损失。空气湿度的测量方式很多, 其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化, 间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度, 常见的电容式、电阻式温湿度传感器是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行温湿度测量的[3]。为适应现代化仓储技术需要, 设计了一种便携式仓库温湿度检测仪。

SHT21S温湿度传感器是瑞士Sensirion公司设计制造的, 它是一种集湿度和温度测量于一体的传感器, 它采用双列扁平贴片式DFN封装如图1所示, 高度1.1mm、底面积3mm×3mm, 其输出信号是经过线性处理和标定的PWM波形, 除敏感元件部分, 传感器外表采用包覆成型, 可以减少传感器受外界因素 (如老化、振动、挥发性化学气体) 的影响, 保证其具有良好的稳定性[4]。SHT21S内部配有1个标准的带气隙的温度传感元件和1个电容式湿度传感元件, 集成了数字处理单元、OTP内存、放大电路和模/数转换电路[5]。由于对传感器做了微型化改进处理, 其性价比相对同类产品更高。该如传感器长期暴露在正常范围以外的条件下, 尤其是在湿度超过80%时, 可能导致信号暂时性漂移, 当正常使用恢复到标准工作条件后, 传感器会自恢复到校正状态。

系统运用了传感器技术和单片机技术, 设计了一种温湿度检测装置, 该装置以单片机AT89C52为主控核心, 采用传感器SHT21S将温湿度值转换成对应的PWM波形数字信号, 直接送单片机, 通过单片机对温、湿度进行实时采集, 经过系统软件处理, 由液晶LM016L显示出被测温度和湿度值, 同时对超过预设值进行报警提示。图2为系统的总体框图, 温、湿度采集模块将被检测温湿度量转换成数字信号, 送入单片机AT89C52, 单片机完成信号处理后, 显示测量结果。系统包括单片机最小系统、温、湿度检测电路、键盘及显示电路、报警电路等部分构成。

温湿度信号采集采用传感器SHT21S, 其构成的检测电路如图3所示, 测量温度还是湿度通过拉高或拉低SHT21S的SCL来切换, 当SCL=1时, 数据线SDA输出的是温度信号, 当SCL=0时, 数据线SDA输出的是湿度信号, 传感器测量数据每秒刷新2次。另外SHT21S还提供SDM接口或I2C数字接口, 且可将SDM端信号转换为模拟信号输出, 数据由SDA线输出[6]。SHT21S全量程标定, 两线数字接口, 可与单片机直接相连, 外围电路极其简单。

系统主控电路以单片机AT89C52为核心, 其由AT89C52芯片、晶振电路和复位电路构成, 系统为了尽量降低功耗, 采用了内部时钟方式, 其构成的最小单片机系统如图4所示。系统上电后, 复位电路因电容C3的充电和反相门的作用, 使RST持续一段时间的高电平, 当单片机已在运行当中时, 按下复位键S后松开, 使RST为一段时间的高电平, 从而实现上电或开关复位的操作[7]。系统时钟采用内部时钟方式, 单片机AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器, 该放大器的输入输出端口为XTAL1和XTAL2, 它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容, 便构成了一个自激励振荡器, 电路中的C1、C2的选择在10~30pF, 这里选择电容为30pF, 晶振频率为在12MHz。

显示模块采用LM016L液晶模块, 其内部带有控制器, 具有简单而功能较强的指令集, 可以实现字符闪烁、移动等功能[8]。其与单片机通信可采用8位或4位并行传输2种方式, LM016L液晶数据线D0~D7分别与单片机AT89C52的P1.0~1.7口连接, 控制线RS、RW、RE与单片机P2.5、P2.6、P2.7端口连接。图5即为显示电路。

系统采用独立式按键, 设有上选、下选、确定和返回4个按键即可满足系统要求, 按键电路设计采用外接上拉电阻, 低电平表示按下, 4个按键分别接单片机AT89C52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口, 电路如图6所示。按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路, 每个独立式按键占有一根I/O口线, 各根I/O口线之间不会相互影响。在此电路中, 按键输入为低电平有效, 上拉电阻保证了按键断开时, I/O口线有确定的高电平, 单片机AT89C52的P1口内部接有上拉电阻, 所以就不需要再外接上拉电阻[9,10]。

系统报警电路采用的是三极管驱动的蜂鸣器, 其工作电压:3~15V, 驱动电流:10mA。蜂鸣器由三极管和电阻组成的驱动电路来驱动, 单片机AT89C52的P3.5口接三极管基极输入端, 通过P3.5输出高电平使电路产生报警。

系统软件设计采用模块化结构。整个程序由主程序、SHT21S访问程序、键盘及显示等子程序。系统把实际采样的二进制值转换成BCD码形式, 然后存放到显示缓冲区34H~3BH。对一般线性仪表来说, 标度变换公式为:

式中:A0为一次测量仪表的下限;AX为实际测量值;Am为一次测量仪表的上限;N0为仪表下限所对应的数字量;NX为测量所得数字量;Nm为仪表上限所对应的数字量。系统软件主要由初始化程序、主程序、及监控程序等组成。初始化程序是对单片机内部特殊功能寄存器SFR工作方式进行设定, 监控程序完成对键盘输入的扫描及显示器的显示;主程序对采集的数据进行处理, 主程序流程图7所示。

系统测试在实验室进行, 在玻璃容器内加入适量水, 用酒精灯加热玻璃容器, 使玻璃容器内温湿度值变化, 将传感器SHT21S放入玻璃容器空间内, 采集温湿度信号, 同时标准的温湿仪器也置入其内, 测量结果作为标准值, 分别测试了7次, 测量数据如表1所示, 从表中数据可看出, 系统实际测量温湿度值与参考值误差小于1%。

元件SHT21S是一种集温度湿度测量于一体的传感器, 系统采用该元件作为信号采集单元, 既使系统整体成本下降、又节省了单片机I/O口资源、使系统体积微型化。经测试表明:系统性能稳定、实时性好、成本低、操作简洁等优点。其不仅可用于仓储系统中温湿度的检测, 同时也可用于室内, 农业大棚内、汽车车厢内等各种环境中温湿度监控。