專利名稱：溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于測量植物或蔬菜培養室、實驗室、倉庫、辦公室等環境的溫度、濕度及光照度的檢測裝置，更詳細地是涉及用一臺儀器同時完成溫度、濕度及光照度檢測。
現有的溫度、濕度及光照度的檢測均是分別人工測出各參數，測量溫度采用水銀溫度計、或由熱敏電阻或集成熱敏器件(AD590)做成的溫度計；測量濕度采用毛發濕度計、干濕球濕度計及濕敏電容傳感的濕度測量儀表；測量光照度采用光敏電池作為傳感器的光照計；也有同時測量溫度及濕度儀表。其缺點是1、采用人工分別測量溫度、濕度、光照度，較煩瑣；2、只能現場獲取采集數據，不能實現遠程數據通訊。
本實用新型的目的在于針對現有技術的缺點，提供一種溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置，能同時檢測并顯示溫度、濕度及光照度。
本實用新型的目的還在于針對現有技術的缺點，提供一種溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置，能同時檢測并顯示溫度、濕度及光照度，還能實現遠程數據通訊。
本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置由濕度傳感器、照度傳感器、A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器、單片機構成；濕度傳感器由振蕩器、單穩電路、積分電路、直流放大器依次連接構成；照度傳感器由光敏元件、I/V變換器依次連接構成；濕度傳感器和照度傳感器分別與A/D變換器連接，A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器分別與單片機連接。
單片機內固化了支持全機運行的程序。
濕度傳感器、照度傳感器、溫度傳感器用于測量環境的溫度、濕度、照度值，由于測出的濕度和照度值是模擬量，因此需要A/D變換器將模擬信號轉變為數字信號。
顯示器可以是現有的一般顯示器，如數碼管顯示器、液晶顯示器，用于顯示溫度值、濕度值。
地址開關用于讀入開關值，此開關值若為零，則不用做站地址，而作為調試狀態運行，當非零時才作為有效地址。
為了實現遠程數據通訊，該單片機還可以連接一通訊器，用于接受和傳送數據，可以采用RS-232、RS-485、RS-422等型號的通訊器。
使用時，本實用新型裝置可以單獨使用也可以聯網運行。單獨使用時，通入交流(或直流)14-20V電壓，裝置自動啟動，依次重復在P標志下顯示溫度值(攝氏度)，在H標志下顯示濕度值(％RH)，然后是光照度值(4位數字，實際值為顯示數字乘10，單位LUX)。如聯網運行，首先用地址開關撥定裝置地址，然后通過裝置的通訊器總線輸出端子與總線聯結。
由此可見，本實用新型是以單片計算機為核心的智能型測量儀表。它采用了集成數字型溫度傳感器作為溫度探頭測量溫度；采用濕敏電容作為濕度敏感器件測量環境濕度；采用光敏電池為光照度的傳感器，測量光的照度值；此裝置在單片機控制下，分別測量環境的溫度，濕度及光照值，并給出數字顯示(例如溫度、濕度為2位數字，光照為4位數字)，且裝置設計有標準串行通訊器總線接口及通訊地址設定開關，可以與具有同類總線的上位計算機通訊。本實用新型裝置采用了簡潔新穎的組合電路設計，可靠準確的實現了參數的變換，數字濾波處理，串行輸出分頁顯示。
本實用新型與現有技術相比，具有如下優點1、本實用新型采用單片機配合其他部件同時檢測和顯示環境的溫度、濕度、光照度，省卻了人工操作的繁雜步驟；2、本實用新型由于采用了通訊器實現遠程數據通訊，不必人工到現場采集數據；3、本實用新型成本相對較低，且有寬的環境適應能力(寬的溫度、濕度、光照度范圍)。
圖1是本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置的結構方框圖；圖2是本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置的另一結構方框圖；圖3是本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置的一個外形結構圖；圖4是本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置的電路圖。
下面通過實施例對本實用新型作進一步的說明。
實施例如圖1所示，本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置由濕度傳感器1、照度傳感器2、A/D變換器3、溫度傳感器4、地址開關5、顯示器6、單片機7構成；濕度傳感器1由振蕩器1(1)、單穩電路1(2)、積分電路1(3)、直流放大器1(4)依次連接構成；照度傳感器2由光敏元件2(1)、I/V變換器2(2)依次連接構成；濕度傳感器1和照度傳感器2分別與A/D變換器3連接，A/D變換器3、溫度傳感器4、地址開關5、顯示器6分別與單片機7連接。
如圖2所示，本實用新型的溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置還可以由濕度傳感器1、照度傳感器2、A/D變換器3、溫度傳感器4、地址開關5、顯示器6、單片機7、通訊器8構成；濕度傳感器1由振蕩器1(1)、單穩電路1(2)、積分電路1(3)、直流放大器1(4)依次連接構成；照度傳感器2由光敏元件2(1)、I/V變換器2(2)依次連接構成；濕度傳感器1和照度傳感器2分別與A/D變換器3連接，A/D變換器3、溫度傳感器4、地址開關5、顯示器6、通訊器8分別與單片機7連接。
如圖3所示，機箱9內安裝了濕度傳感器1、照度傳感器2的I/V變換器2(2)、A/D變換器3、溫度傳感器4、地址開關5、顯示器6、單片機7、通訊器8；通過導線10與照度傳感器2的光敏元件2(1)連接，光敏元件2(1)由架子11支撐。
結合圖2和圖4可以了解本實施例裝置及其各個部件的具體例子。
濕度傳感器1選用的敏感元件為濕敏電容CRH，電路結構分如下各部分振蕩器1(1)因濕敏電容在高于3V時易于擊穿，因此與濕敏電容CRH緊密連接的各電路(1)與(2)均采用低電壓2.66V供電。振蕩器電路其中C13，R13，R15決定振蕩頻率，本設計振蕩頻率為125KHZ。波形為方波。
單穩電路1(2)來自1(1)的方波經C15，R7微分，形成觸發脈沖，單穩電路也由TLC555CP構成，當觸發脈沖將單穩電路觸發而轉入暫穩態時，維持時間則由濕敏電容CRH確定，而CRH又與環境濕度有關，利用此原理構成了單穩脈沖調寬功能。設計選用50-60PF的濕敏電容，濕度變化率為0.13PF/1％RH，如R10取20K，相對濕度由0-100％RH，脈沖寬度將變化0.26微秒。
積分電路1(3)將單穩觸發脈沖送入由R20，R21及C17構成的積分電路，此電路的時間常數遠大于單穩脈沖之周期，因此積分電路的輸出為穩定電壓，其幅值與脈寬有關。本電路1(2)、1(3)設計的參數濕度滿程變化時，引起積分電壓變化86mv.。
直流放大器1(4)將變化幅度86毫伏之電壓進行A/D變換來反映濕度值顯然太小(一般A/D輸入電壓為0-5V)因此需要進行放大，本例選用直流放大器1(4)LM358，并配有零點調節與倍率調節電位器W1，W2。此放大器倍數可在5-50倍間調節，本儀表中大約用于24倍左右。
照度傳感器2光敏元件2(1)本例光敏元件采用1平方毫米的硅光電池，它可以工作在0.45-0.57um可見光波段范圍，其光照特性為開路電壓與光照度是非線性的，而其短路電流在較大范圍內與光照度呈線性關系，本設計即將短路電流用做光照電參量進行測量。為了減少方向性對讀數的影響，光敏器件安放于圓弧形外罩內，弧半徑約20mm。
I/V變換器2(2)將電流作為反映光照度參量進行測量時，需將其轉換為電壓才能進行A/D變換，求出測量值，因此引入I/V變換器2(2)，它由運算放大器LM358構成，運算放大器的異相輸入端之電位差近似為零，可用此特性將光電池接成虛擬短路采樣電路，其輸出電壓與光電流成正比，完成了I/V變換。為獲得A/D變換要求的電壓變化范圍，W3實現倍率調節。接線端子JP1，JP2，JP3適當的選擇對濕度及光照度引接入A/D變換，也可以用于其他參數測量時的應用。
A/D變換器3本例選用TI公司出品的TLC2543C，它是12位開關逐次逼近模數轉換器，它有11個輸入通道，可以順序地對11個輸入模擬量進行A/D變換，采用了串行I/O方式，即設有一位數據輸出端，一位數據輸入端及一位時鐘，可以將變換控制字串行輸入(命令輸入)，在完成A/D變換后可將結果串行輸出。因為，濕度及光照測量是獲得模擬量，變換為數字選用了TLC2543C之中的兩路。濕度變換選10#通道，光照度變換選用9#通道。
P15 CS，P16 DATAOUT，P17 DATAIN，P18 I/OCLOCK，則由單片機7予以支持。在單片機7中固化軟件支持上述各端完成輸入控制字，A/D變換器3啟動，輸出變換結果等各項操作。TLC2543C采用8位控制字，通道的確定，變換結果位長選定，數據格式，均通過輸入控制字完成。
溫度傳感器4本例采用型號DS1820為90年代美國DALLAS公司出品的集成化測溫元件，它只有3根引線端(+5V，地，信號端)接入電路后用一根信號線與外界相通，接受外部命令，完成相應測溫變換，讀出溫度值等項操作。將溫度傳感器4與單片機7用一位信號(P3.7)連接，在單片機7中固化了與DS1820的接口程序，控制溫度傳感器4完成測溫變換，讀取溫度值各項操作，各項操作完成后，溫度值存于單片機7的存儲器中，再由顯示器6顯示，或通過通訊器8進行遠程數字通信，傳至其他儀表或計算機。
地址開關5本實施例選用的地址開關共5位，直接讀P1口即可讀入開關值。此開關值若為零，則不用做站地址，而作為調試狀態運行，當非零時才作為有效地址。
顯示器6本例選用4位(十進制)數碼顯示。用靜態顯示方式，由4片74HC164組成了32位移位寄存器支持4只共陽的LED數碼管數據顯示，構成有規則的數據顯示鏈，驅動端只兩位I/O，擴充顯示鏈也不增加驅動端。單片機7用2位I/O P1.5，P1.6支持本顯示。單片機中固化了顯示驅動程序，用于支持數據顯示。
單片機7選用AT89C2051(以下簡稱2051)，它是MCS-51的縮編版本，取DIP20封裝，只是I/O減少之外，指令系統，中斷結構，運行定時，RAM容量均與MCS-51相同，內部程序存儲器由4K字節降為2K字節。
單片機硬件部分2051的電源接P20 VCC及P10 GND。P4 XTAL1，P5XTAL2接振蕩晶體與電容C20及C21，本裝置選用晶體振蕩頻率為18.432MHZ，時鐘周期為0.0542us，指令周期為0.65us。本機的復位電路不采用通常的R-C方式，而采用了MAXIM公司新出品的復位專用芯片MAX810，該芯片在上電時可自動產生約240ms的正復位脈沖，使單片機復位啟動程序運行。并在電源因接觸不良而引起短暫跳動時也可產生復位脈沖防止了因此而出現的死機現象。
P1.7-P1.0為8位P1接口，P3.7-P3.0為7位(少P3.6)P3接口，執行I/O操作。
各I/O端口完成下列各項功能A·P1.4，P1.3，P1.2，P1.1，P1.0讀入地址開關值，確定本機在通訊網中的站地址。地址共5位，可設定32個地址，但是零號地址不作為網站地址，只作為本機的測試標志。開關設定的地址為第一地址，用于向上位機傳送溫度及濕度值，將第一地址加一個固定增量(由軟件完成)為本裝置的第二地址用于向上位機傳送光照度。
B·P3.7與溫度傳感器4相接，完成溫度測定，將溫度值讀入單片機7內存。
C·P3.3，P3.2，P1.6，P1.5與A/D變換器3連接，支持全機的A/D變換操作，并將數值化的濕度值與光照值讀入單片機內存，進一步做數據處理。
D·P3.5，P3.4與顯示器6連接，給出溫度，濕度，光照度的數字顯示。
E·P3.1，P3.0，P1.7則用于數據通訊器8。P3.1為串行數據輸出，P3.0為串行數據輸入，而P1.7則擔任發送/接收轉換。通訊采用驅動專用芯片75176，通訊標準符合RS-485標準。
在AT89C2051中固化了支持全機運行的程序。為支持主流程運行，配備了下列模塊。
A·初始化置各I/O端口初條件；全部RAM清零，置初值；設置本機地址；置各專用寄存器初值；中斷設定。
B·數字顯示支持程序二進制轉BCD碼；段碼查表；串行驅動；C·數字通信支持程序中斷接收程序；地址判別；數據發送。
D·測溫程序的支持程序DS1820命令表；DS1820讀程序；DS1820寫程序。
E·A/D變換支持程序TLC2543C初始化程序；TLC2543C串行讀/寫程序。
F·軟件應用程序軟延遲程序，延遲至1ms 2ms 20ms 1s；測定濕度之數字濾波程序；測定濕度零點調整程序；測定光照度之積分程序。
主電源主電源由整流，濾波及穩壓各部分組成。輸出5V 200MA，12V50MA，輸入直流或交流14-20伏，直流接入也無極性限定，本裝置適于低壓電源組網運行，是多點測試網絡理想的前端儀表。
輔助電源輔助電源自12伏分出，提供下列兩組(1)支持1(1)、1(2)的2.66V；(2)用于A/D變換器3的參考電源VREF，本設計VREF為4.8V，具有高的穩定度。
該裝置可以單獨使用也可以聯網運行。單獨使用時，通入交流(或直流)14-20V電壓，裝置自動啟動，依次重復在P標志下顯示溫度值(攝氏度)，在H標志下顯示濕度值(％RH)，然后是光照度值(4位數字，實際值為顯示數字乘10，單位LUX)。如聯網運行，首先用地址開關撥定裝置地址，然后通過裝置的通訊器總線輸出端子與總線聯結。
此裝置適用于較寬的參數范圍，特別適用于農業溫室大棚環境的計算機監控網絡系統中，也適用于其他的環境監測(控)系統。本例用于花卉大棚計算機自動監測網絡系統中，運行情況良好。
權利要求1.一種溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置，其特征在于由濕度傳感器、照度傳感器、A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器、單片機構成，濕度傳感器由振蕩器、單穩電路、積分電路、直流放大器依次連接構成；照度傳感器由光敏元件、I/V變換器依次連接構成，濕度傳感器和照度傳感器分別與A/D變換器連接，A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器分別與單片機連接。
2.一種溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置，其特征在于由濕度傳感器、照度傳感器、A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器、單片機、通訊器構成，濕度傳感器由振蕩器、單穩電路、積分電路、直流放大器依次連接構成，照度傳感器由光敏元件、I/V變換器依次連接構成，濕度傳感器和照度傳感器分別與A/D變換器連接，A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器、通訊器分別與單片機連接。
專利摘要一種溫度、濕度及光照度綜合檢測裝置由濕度傳感器、照度傳感器、A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器、單片機構成,濕度傳感器由振蕩器、單穩電路、積分電路、直流放大器依次連接構成,照度傳感器由光敏元件、I/V變換器依次連接構成,濕度傳感器和照度傳感器分別與A/D變換器連接,A/D變換器、溫度傳感器、地址開關、顯示器分別與單片機連接,為了實現遠程數據通訊,該單片機還可以連接一通訊器。
文檔編號G01W1/02GK2370428SQ9923596
公開日2000年3月22日 申請日期1999年5月7日 優先權日1999年5月7日
發明者陳天鈞, 龍慶華 申請人:華南師范大學