基于USB接口的智能溫濕度檢測儀

鄭艷博，劉君梅，李煥娜，李洪杰

（1.河北科技學院，河北 保定 071000；2.河北軟件職業技術學院，河北 保定 071000；3.大唐保定熱電廠，河北 保定 071001）

0 引言

溫度與濕度是與人類關系密切的兩個物理量，例如，在溫室栽培等農業生產中，若不嚴格控制溫濕度，作物就不能正常生長，會嚴重影響產量和質量；在精密儀器制造車間，若溫濕度不符合要求，不僅生產設備不能正常工作，而且所生產的產品精度也不符合標準；在DNA合成等高分子實驗室，對溫濕度的要求更加嚴格；糧庫、軍火庫等倉庫，也要控制溫濕度，否則，糧食等儲存物會發霉，武器的性能、精度、質量和壽命都會受到嚴重影響。因此，對溫濕度的準確檢測與控制非常重要。

傳統溫濕度檢測把溫度和濕度分開測量，濕度檢測采用模擬式濕度傳感器，需要設計信號調理電路并要經過復雜的校準、標定過程，測量精度難以得到保證，且線性度、重復性、互換性、一致性也不盡人意。溫濕度檢測參數大多采用LED顯示，存在功耗大、字體粗糙、電路繁瑣、掉電后數據易丟失等問題。隨著電子技術及傳感器技術的飛速發展，高精確度、高靈敏度、高響應速度，以及耗能少、體積小、可以連續測量、通用性強的傳感器相繼問世。智能溫濕度檢測儀采用新型數字溫濕度一體化傳感器，長期穩定，可靠性強，提高了測量精度。檢測參數采用LCD顯示，功耗小，顯示清晰，電路簡單。數據存儲采用非易失性數據存儲器，掉電后數據可保存10年。儀器與上位機（PC機）通訊采用USB接口，使用方便。

圖1 檢測儀硬件結構框圖

1 檢測儀硬件電路設計

檢測儀硬件結構主要由采集、顯示、存儲及通訊四個模塊組成，檢測儀硬件結構見圖1。

1.1 單片機

單片機采用美國ATMEL公司的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C52，片內含有8kb可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），256字節隨機存儲器（RAM），適用于許多復雜控制應用場合。

1.2 溫濕度的采集及顯示

溫濕度的采集選用了瑞士Sensirion公司的新型數字溫濕度傳感器SHT71，該傳感器將傳感器元件、信號放大器、模/數轉換器、標準數據存儲器、I2C總線等外圍電路集成在了一個芯片上，信號強度增加，抗干擾性增強，且長期穩定性也得到了保證。顯示模塊采用了功耗較低的ABG128064B型液晶顯示模塊，該液晶屏具有EL背光，在亮度不同的場合，用戶都可以清晰地讀取檢測參數。

1.3 數據存儲

該檢測儀采用的是美國Ramtron公司的FM31256型非易失性鐵電存儲器，此存儲器主要功能包含鐵電非易失性存儲器、實時時鐘、低電壓復位、看門狗記數器、非易失的事件記數器等，無限次讀寫，掉電后數據可保持10年。此芯片的使用，節省了DS1302時鐘電路和X5045看門狗電路，提高了檢測儀的集成度，縮小了其體積。

因為FM31256永遠都是從機，系統軟件可以把它當成兩個獨立產品，其中一個是擁有唯一的從機地址1010B的實時時鐘和處理器伴侶；另一個是從機地址1101B的存儲器。所以，只要通過軟件就可實現對它的操作。

1.4 USB通訊

USB接口具有數據傳輸速率高、使用方便等特點。USB協議規定的全速傳輸速率為12 Mbps，非常適合有大量數據傳輸的系統，并且USB設備支持即插即用，無需重新啟動計算機。所以，檢測儀與PC機之間的通訊采用USB串行通訊，該儀器采用的是CH375 USB接口芯片。

使用CH375，不需要了解任何USB協議或者固件程序，甚至驅動程序就可以輕松地設計USB接口產品。該芯片支持兩種使用方式，即Slave設備方式和Host主機方式。具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出的CH375可以與單片機/DSP/MCU等控制器的系統總線掛接。與CH375配套的軟件具有簡潔的操作接口，可以輕松地與本地端的單片機通信，同時CH375內置了USB底層協議。基于以上原因本系統采用CH375芯片。

CH375與單片機連接電路圖見圖2。

圖2 CH375與單片機連接電路圖

2 檢測儀軟件設計

檢測儀軟件設計包括初始化、溫濕度采集、讀取時鐘數據、數據存儲和數據顯示五大模塊，采用C51語言編寫下位機程序。下位機軟件總程序如圖3所示。

圖3 下位機軟件總程序框圖

2.1 初始化

包括 SHT71、FM31256、ABG128064、CH375 的初始化程序。

2.2 溫濕度采集

2.3 讀取時鐘數據

2.4 數據存儲

2.5 數據顯示

3 上位機（PC機）數據處理軟件設計

上位機數據處理系統流程如圖4所示。

圖4 上位機數據處理系統流程圖

PC機軟件采用Visual Basic6.0在Windows環境下實現。該系統分為三大模塊：通訊檢查、參數設置、數據處理。

3.1 通訊檢查及參數設置

為保證進行正常的數據傳輸，在通訊之前要對通訊電纜、通訊器件進行檢查。通訊檢查若正常則提示可進行正常通訊；若有故障則報警提示。在參數模塊可以設置檢測儀啟動和停止的日期、時刻及是否循環記錄。當設計好這些參數后，則提示參數設置成功。參數設置的目的是讓檢測儀按照用戶的要求選擇需要測量的任何時間段的溫濕度，并且當內存不夠時，用戶還可對檢測儀存儲的數據進行處理，保留原數據或將原數據覆蓋。

3.2 數據處理

本模塊可以實時顯示數據處理記錄，同時在計算機上可以實時讀取檢測儀數據，并繪制溫濕度曲線。也可將記錄的數據以Excel報表形式輸出，并求得任意時段的溫濕度最大值、最小值、平均值和方差，分析結果可以保存，也可打印出來。

4 結論

檢測儀采用新型的數字式溫濕度一體化傳感器（SHT71）和大容量非易失性鐵電存儲器FM31256，與上位機（PC機）通訊采用方便可靠的USB接口，可完全自動實現按用戶需求設定的任意時段的溫濕度值的檢測和存儲，不需操作人員干預，適用于危險場合溫濕度的檢測。該檢測儀具有檢測精度高，記錄數據可靠，使用方便的特點。

［1］許平，田瑜，張振仁.通用型溫濕度檢測儀的研制［J］.中國儀器儀表，2004（1）：35－37.

［2］張中平.基于MEMS的濕度檢測儀的研制［J］.傳感技術學報，2003（2）：113－116.

［3］何立民.MCS－51系列單片機應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.