基于单片机的温湿度度检测电路设计

基于单片机的温湿度度检测电路设计摘要：温度检测在自动控制系统电路设计中的使用是相当广泛的，系统往往需要针对控制系统内部以及外部环境的温度进行检测，并根据温度条件的变化进行必要的处理，如：补偿某些参数、实现某种控制和处理、进行超温告警等。因此，对所监控环境温度进行精确检测是非常必要的，尤其是一些对温度检测精度要求很高的控制系统更是如此。良好的设计可以准确的提取系统的真实温度，为系统的其他控制提供参考；而相对不完善的电路设计将给系统留下极大的安全隐患，对系统的正常工作产生非常不利的影响。本文结合实践经验给出两种在实际应用中验证过的设计方案。关键词：温度检测；电路设计；精度；参数控制1方案（一）1.1硬件设计温度检测电路通常由温度探测、数模转换以及结果处理等部分组成。温度探测电路将环境温度转换成对应的电信号，模数转换电路将电信号转换成数字量，然后送处理器进行必要的处理，从而获得相应的环境温度参数[1]，如图1所示。图1功能框图其中，温度检测部分一般采用热敏电阻，但是热敏电阻精度比较低，响应速度较慢。目前出现了一些专用的温度探测芯片，精度大大提高，而且对温度改变的灵敏度也达到了非常高的标准，如National公司的IM35系列。温度探测电路一般是将温度的变化转化为电压信号的变化，因此需要通过模数转换电路转换成数字信号才能为处理器所接受，从而通过计算获得真实的温度信息以便处理器进行进一步的处理。由于在较大的自动控制系统中，常常需要进行多点的温度检测，同时在实际电路设计中特别是在高频电路设计中数据总线的干扰是很严重的。因此使用支持多路转换功能的串行模数转换器件无疑是很好的选择，常见的如AD公司的AD7811和AD7812系列等。下面以National公司的IM35系列温度传感器和AD公司的AD7812模数转换器为例，讨论基于支持串行总线多通道、高精度温度检测方案的设计思想。其电路原理框图如图2所示。图2系统硬件框图LM35系列芯片是一种高精度的温度探测器，它的输出电压正比于当前环境温度，在室温下，它的探测精度可以达到±1／4℃，在一55℃～+150℃区间，它的精度可以达到±34~℃，它的典型变化趋势是温度每变化l℃，电压变化10mV，其温度—电压转化公式为：V=10mV／℃·C公式(1)式中：为转换输出电压，C为系统实际温度。AD7812是一种串行AD转换芯片，它支持最多8通道输入(AD78ll为4通道)，这样我们就可以很容易的设计支持多路温度检测的电路[2]。AD7812的工作方式由一片内部控制寄存器决定，它可以由Convst脚的脉冲输入启动转换，也可以通过软件控制完成转换，在实际设计中，由于软件控制更加灵活，所以一般采用软件控制的方法进行转换，它的控制寄存器定义如下：A0用于支持两块或更多的AD7812共享串行总线，由该位决定具体访问哪片AD7812．只有当某片AD7812的A0位置l时，才能对其进行访问。当串行总线上只有一片AD7812时，该位可以忽略；PD0、PD1决定电源工作状态；当设置为∞时，电源处于完全关断状态；当设为Ol时，在转换完成后部分关闭电源；当设为l0时，在转换完成后完全关闭电源；当设为11时，电源始终处于开启状态；Vin8AGND要使该位生效，DIFF／SGI位必须设为0，当该位为0时，8路模拟输入都以AGND作为参考；当该位为1时，Vinl到Vin7共7路模拟输入，以Vin8作为参考；DIFF／SGL该位用于决定8路模拟输入信号的输入参考状态；CH2、CH1、CH0通道选择，选择一路模拟输入通道；CONVST软件启动转换，设置该位为l初始化一次转换。在转换结束后该位被清零；EXTREF选择外部参考。由于AD7812是一种串行接口芯片，所以与其通讯的CPU最好支持串行通讯，这样编程实现比较方便。市场上支持串行通讯的CPU很多，资料也很详尽，在此就不多做介绍了。1.2软件编程软件控制主要针对AD转换芯片AD78l2进行控制。需要完成模数转换、串行数据读取等功能。AD7812有两种工作状态，模式1在转换完成后不关闭电源；模式2在转换完成后关闭电源。一般情况下都选用模式l工作方式，以下就主要针对模式1工作方式展开讨论。图3控制时序图图3是一种典型的控制时序图，首先置PD0、PD1位为l，开启片内电源，使芯片开始工作；在下一个启动转换完成后，数据总线上数据就有效了，转换数据就可以串行输出了。从图中可以看出，第一次转换的数据是无效的，这是因为片内电源还未开启，这是编程者需要注意的地方。图4通讯时序图图4就是实际通讯时序图。RFS是接收数据同步信号，TFS是发送数据同步信号。平时，Dout的输出处于高阻状态，在RFS上升沿后的第一个SCLK上升沿，Dour输出数据有效，在第11个SCLK上升沿后，Dour重新回到高阻状态；在TFS下降沿后的第一个SCLK下降沿。Din线上的数据串行移入片内，在第l3个SCLK降沿，片内控制寄存器内容被更新。在这里要注意，SCLK时钟个数一定要保证，否则容易产生问题。2方案（二）2.1系统架构如图5架构，该系统包括温度传感器与温度值计算2个部分。图5系统架构2.2温度传感器图5系统架构中，TPAT电压Vtpat与温度之间存在一定的线性关系，内置的ADC会把该电压转换成数字信号。数字电路将此信号进一步处理，求出温度值。2.2.1正温度系数电压正温度系数电压产生单元(TPTAT)的原理是通过物理器件的感温特性感应绝对温度值。如果2个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，它们的基极——发射极电压的差值与绝对温度成正比。如图6，如果同样的晶体管（Is1=Is2）偏置的集电极电流分别为nI0和I0并忽略它们的基极电流，那么：图6PTAT电压产生电路2.2.2温度与电压关系公式（2）ADC的输入电压Vin与TPAT电压Vtpat之间关系为：Vin=k(Vref-Vtpat)公式（3）式中：k为传感器增益Vref为基准电压(1.23V)；Vtpat为感应电压。根据上面公式，ADC的输入电压与温度成负线性关系，如图7。在温度可测量范围一40～85℃，ADC输入电压Vin对应的范围是1V~680mV，可认为温度每变化1℃，ADC的输入电压变化2.5mV。假如要求测量精度为±1℃，那么ADC的精度为±2.5mV，Σ△ADC的Vref为1.23V，则ADC的精度相当于483，即9-bit精度ADC就可满足要求。图7温度与电压关系2.2.3ADC调制器设计调制器的原理框图如图8所示。图8调制器调制器最终输出是周期和占空比都随输入信号变化的1位数据流，而其占空比与输入信号幅度对应，一个正弦输入信号所对应的输出数据流见图9。从滤波器的角度看，希望调制器的输出数据流的频率尽可能高，这样噪声的能量主要集中在高频部分，远离正常信号带宽。图9正弦信号输出数据流2.3CIC滤波CIC滤波器一般由2个基本的环节组成，分别为基本递归式积分器(I)和梳状微分器(c)。CIC滤波器的传输函数为[3]：系统中CIC滤波器完成将ADC转换后的数据进行CIC滤波抽取的功能，抽取比为64。根据传函公式：其中N为级联阶数，在此取N=2；M为差分延时系数，在此取M=2；R为降采样系数，在此取R=64。故传输函数为：CIC积分部分工作在RTC时钟32．768kHz下，降频后频率为32．768kHz的64分频，即512Hz，梳妆微分部分工作在512Hz频率下，因为温度变化频率缓慢，512Hz抽样频率远远超过了温度变化频率的2倍，因此根据采样定理可以保证使采样信号频谱不会发生混叠[4]。3结论方案（一）实现原理非常简单，可以根据用户的实际需要进行检测通道的扩展，实现一路到几十路的温度检测，实际效果是很理想的。该方案已经成功应用到孵化设备系统中，温度检测实时、灵敏，整个系统的温度误差可控制在±0.3℃,保证了系统的正常运行。方案（二）介绍了整体系统架构和各部分详细原理与设计。设计完成的电路已经过设计验证，并且应用到实时时钟精度调节和LCD显示对比度调节，工作温度在-40～+85℃时稳定可靠。参考文献：[1]JohanH．Huijsing．运算放大器理论与设计[M]．北京：清华大学出版社．2006．[2]AntonioCan，HusseinZedan，NickColeman，eta1．UsingITLandTempuraforLargeScaleSpecificationandSimulation[c]．InProc．OfFourthEuromicroWorkshoponParallelandDistributedProcessing，IEEE，1996：493—500．[3]wuXiao-bo，ZHAOMeng-lian，FANGZhi-gang，edc.Anovelvoltageoutputintegratedcircuittemperaturesensor[J]．浙江大学学报，2002(05)，36~41[4]3]AlanY．Kwentus，ZhongnongJiang，andanN．Wilson，Jr．Applicationoffiltershyingtocascadedintegrator-combdecimationfilters.IEEETransactionsonSignalProcessing，1997，45(2)：457~467公式（4）公式（5）