温湿度自动测试系统的设计与实现
黎洪生 舒 怀 文 浩摘 要：设计研究了一种基于SHT11的温湿度自动测试系统。该系统以工控机为主控机,以LPC903单片机为MCU及其外围电路组成分系统，实现对温度、相对湿度和露点的检测，可显示、查询相关参数，实现人机交互等功能。
关键词：温度传感器 湿度传感器 自动测试系统
一、引言
温度、湿度监测在人们现实生活生产中应用已日渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度数据进行实时监测和控制是一个必须解决的重要前提。
本文即以上述问题为出发点，设计实现了温度、湿度的实时监测系统，该系统不仅能实时采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，友好的将数据结果显示给用户，并存储结果以方便以后的对比研究。
二、SHT11的特点与工作原理
1．SHT11功能概述
SHT11是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出[ 1 ]。 它包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14 位的A/D 转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身的OTP 内存中。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单,具有微小体积、极低功耗等优点。其使用接法如图1所示。
图1 温湿度传感器SHT11连接电路
2．工作原理
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。CMOSENSTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11传感器的内部结构框图如图２所示.
图2 SHT11 传感器内部结构框图
经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。
图3 SHT11 传感器相对湿度数字输出特性曲线
三、自动测试系统的构成
1．系统功能概述
温度、湿度自动测试系统以工控机为主控机,以LPC903单片机[ 2 ]为MCU及其外围电路组成分系统,通过RS-485总线连接主机和分机组成温度、湿度自动测试系统。系统采用定时自报结合主机查询的工作体制，定时时刻一到由各分机自动将测报信息（温度、湿度）发给主机，定时间隔可设置；主机查询功能则由主控机控制软件来完成，PC与各下位机实行广播式的主从通信方式，数据通信波特率为9600b/s。每个控制器都有唯一的地址号，此地址号唯一区别各从机。帧格式为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。 数据格式采用数据包的形式，数据包格式如下：
起始标志位
2．主从机功能分配
应用中采用RS-485总线[ 3]方式实现数据传输，RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。RS-485总线支持32个接点，理论上每个主机可控制1～32个分机,每个分机可以接收分布于厂房、工作房、仓库等典型位置。主机置于主控制室,分机置于工作房内。检测人员可以从中心控制室的主机屏幕或打印材料上实时监控每个工作场所的温度和湿度情况。
主机通过RS-485网络广播自己所要求的从机地址，所有从机都收听广播，记下广播地址。各从机把收到的地址与自己的地址进行比较，地址相同的从机为被选中的从机，其余下位机皆为未选中的从机，暂时从网络上隔离。网络上只剩下主机与选中的从机，按主从式双机的通信过程进行通信。
分机MCU对SHT11的信号进行数据分析和处理并根据主机的命令，通过通讯接口传输检测信息。当各工作房对温度、湿度的要求不同时,本系统可根据检测到的分机温度与湿度测量结果,判断温度、湿度是否超出规定的变化范围,由此控制系统自动报警和控制空调或去湿机等设备的启停。
图4 温度湿度自动测试系统硬件结构框图
四、软件设计
1．下位机软件设计
下位机软件设计包括温湿度测量部分与通信部分。温湿度测量部分，综合考虑到低功耗和功能的实现，采取如下策略：MCU在定时时间到或者收到上位机查询命令后，被唤醒并按照SHT11的通信协议通过模拟I2C接口发出测温、测湿等命令，并将数据由通讯模块向上位机上报；其余时间里MCU处于休眠状态，实现低功耗。
图5 从机温湿度测量流程图
图6 从机通信流程图
2．上位机软件设计
为完成测试仪的功能,上位机的软件采用模块化设计,分别由系统自检模块、数据采集处理模块、通讯模块、测试状态显示模块、控制场区温度湿度模块和打印测试结果模块等构成,其软件系统模块结构框图如下：
图7 软件系统模块结构框图
五、结束语
基于SHT11的温度、湿度自动测试系统具有结构简单紧凑,现场安装、调试方便,易于增减各分机及传感器数量等优点,由于系统的主控机和各分机之间通过RS-485总线通讯,长距离信息传输的可靠性高,抗干扰的能力较强。因此本系统可以作为替代分立仪器以集中管理、监测的理想产品。
参考文献
[1] 盛世瑞恩公司．SHT11数据手册．2004年．
[2] 周立功．等编著．LPC900系列Flash单片机应用技术 (上册)[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2004年1月．
[3] 朱志伟，周志光，鲍祖尚．RS-485总线通信系统的可靠性措施[J]．北京：北京航空航天大学．2006年 03期．