用单总线器件组建温湿度测控系统

一、引言
适宜的温、湿度是人类及一切动植物生存生长所必需的两个最基本的环境参数，在现代生产生活中，温度和湿度的监测与控制有着十分重要的意义。但是，目前常用的温、湿度测控系统大多存在至少两大缺点：其一，需要大量的连线才能把现场传感器的信号送到采集卡上，布线施工麻烦，成本也高；其二，线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，为了克服这些缺点，一种基于数字化单总线技术的系统应运而生。
数字化单总线技术[1]是利用DALLAS公司生产的新型器件实现的，它将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。这些测控对象所用的芯片都由该公司提供，采用单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。这样，在单总线上传输的便是数字信号。本文介绍的温、湿度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的，它具有性价比高，硬件施工维修方便，抗干扰性能好等特点。

二、总设计方案[2]
用单片机对单总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口P1、P2、P3中的任一位端口与单总线连接来进行双向数据传输，而且还可通过RS232/485转换器串行口使单片机与上位PC连接，以便在WINDOWS平台上进行高级的软件管理。
1、系统原理
采用单总线技术设计的温湿度监测系统，只要一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象挂接在其上就可以了，其示意图如图1。图中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与通常电话线路使用的一样，插入和拔出都很方便。虽然RS232是串行通讯中目前最常用的接口，且在PC机系列中，每台微机均配有标准的RS232，但是这种共地传输，由于受距离与环境的影响，极易受到干扰。因此，RS232方式的通讯，一般应用于速度为20kb／s，距离20m以内的条件下，不适合于高速、远距离通讯。而RS485串行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。因此，RS485可用于距离1200m，速度为100kb／s的高速通讯。由此，在本课题设计中，需要在PC机侧配置RS232/RS485转换器。DS2405是DALLAS公司提供了一种可寻址的开关器件，其主要特性为：适用于单总线协议，由单总线上数据决定的漏极开路输出的逻辑电平作为开关控制信号，控制信号输出端（PIO）吸收能力大于4mA，0.4V，不用外接电源。

图1中每个与单总线直接相连的测控对象的机构芯片均有一个64位的ROM，其中存有16位十进制编码的序列号，称之为身份证，以确保芯片挂接在总线上可以被识别出来，这是在单总线上实现定位和寻址通信的关键所在。

图2为单总线芯片入口示意图。由图可见，芯片内还含有收、发控制和电源电路，其耗电量都很小，从总线上获得一点电量存储在大电容中就可以正常工作了，故一般不需要另附电源。

　　2、温、湿度测量
（1）温度测量
温度测量采用DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20，它是利用在板专利技术来测量温度的。传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20都具有唯一的64位序列号。DSl8B20只有一个数据输入/输出口，因此，多个DSl8B20可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信，而它们只需简单的通信协议就能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。DS18B20可编程设定9～12位的分辨率，固有测量精度为±0.5℃，测量温度范围为-55℃～+125℃。用户还可自设定非易失性温度报警上下限值，并可用报警搜索命令识别温度超限的DS18B20。由于温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。
（2）湿度测量[3]
湿度测量采用HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605，其测量湿度范围为0～100%RH，固有精度为±2%RH，工作温度范围为-40℃～+85℃，它的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将成比例升高。在实际应用中，可通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值：
〔1〕首先根据下述计算公式，计算出25℃温度条件下相对湿度值RH0。

Vout=VDc(0.0062RHo+0.16) （1）
式中，VOUT—IH3605的电压输出值；
VDC—IH3605的供电电压值；
RH0—25℃时的相对湿度值；
〔2〕进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值RH：

RH=RHo/(1.0546-0.00216t) （2）
式中，RH—实际的相对湿度值；t—当前的温度值，单位为℃。

其输出电压与相对湿度的关系曲线如图3所示。由于IH3605的输出电压较高且线性度较好，因此电路无需进行信号放大及调整。可以将IH3605的输出信号直接接到A/D转换器上，完成模拟量到数字量的转换。又由于此系统采用的是单总线技术，所以在这里采用DALLAS公司生产的适合于单总线协议的A/D转换器DS2450，它采用逐次逼近的交换原理，有四路模拟输入通道和两种模拟输入量程（0V～2.56V和0 V～5.12V）—未用做输入的通道可作为输出通道使用，一个数据口(以16.3kb／s的速率通信，超速模式下可达142kb／s)，转换精度可在2～16位之间任意选择，响应模拟电压超门限报警设置，不用另接电源和外围电路。

3、数据处理
由A/D转换控制与状态存储器可知[4]：RC3、RC2、RC1、RC0的组合控制着A/D转换精度的位数，0000为16位、0001为1位、……、1111为15位；IR控制输入电压范围，IR=1时，模拟输入上限5.10V，IR=0时输入上限为2.55V。由此，可以用DS2450将IH3605输出的模拟信号转化为符合单总线协议的数字信号。例如，分辨率为12位（1101）、输入电压范围为5.1V（IR=1）时，则一个字节的输入电压为1.25mV。由此可以得出输出数据M（十进制），

M=Ｖout/1.25*1000 （3）

表1 湿度、温度与DS2450输出数据之间的关系

由表1可知，湿度传感器IH3605和A/D转换器DS2450可以获得当前的湿度值，同时数字温度传感器DS18B20又可测得当前的温度值，故此系统可以同时测量外界的温、湿度。由于此系统只要求对所测的湿度（假设占用D通道）信号进行转换，DS2450的A、B、C通道未选中被跳过，所以根据DS2450A/D转换器的特性 [5]，可以将 A、B通道外接上拉电阻和电源，输出高、低限报警信号，如图4所示。又根据数字式温度计DS18B20的特性及应用，用户可自设定温度报警上下限值TH和TL（非易失），当外界的温、湿度值超过设定值时，可寻地址开关DS2405会自动开启空调机、去湿机，从而实现了对温、湿度的控制。

三、结论
用单总线技术及其器件组建的温、湿度测控系统，比采用传统的数据采集系统具有较高的性能价格比。测控对象越多越显示其优越性。由于总线信号数字化，使系统的抗干扰性能好，可靠性高，有很强的实用性。