摘 要： 本文以單片機為核心，配合HIH3610大信號線性電壓輸出濕度傳感器和DS18B20 數字溫度傳感器研制出一種多通道智能溫濕度測試儀，該儀器具有測量精度高、硬件電路簡單、顯示界面友好、可測試多點溫濕度等特點。

引言
溫濕度的測量在工農業生產、日常生活及科學研究中有著廣泛的應用，但由于常用濕度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使濕度的測量方法和手段相對較復雜，且給電路的調試帶來很大的困難。為此，采用Honeywell公司的線性電壓輸出濕度傳感器HIH3610研制出一種測試精度高，能測試多點溫濕度，且可與上位機通信的溫濕度智能測試儀。該測試儀可實現溫濕度的多點自動測量，為溫濕度測量自動化奠定了良好的基礎。

儀器硬件電路
多通道溫濕度測試儀的硬件電路如圖1所示。由于HIH3610為大信號輸出且線性度良好，因此，可省去復雜的信號放大及調理電路，僅需一片A/D轉換器將與濕度值成正比的電壓值轉換成數字量并與單片機接口即可，由于HIH3610輸出信號電壓范圍為0.8~3.9V，而一般A/D轉換器的輸入電壓范圍為0~5V，直接使用此類A/D轉換器會造成轉換分辨率的降低，故這里選用了具有轉換最大值、最小值設定功能的A/D轉換器TLC2543。

前向通道
前向通道電路原理圖如圖2所示，TLC2543 是美國TI公司的串行控制11路模擬量輸入的模數轉換器。該轉換器具有零值設定端REF-和滿度值設定端REF+，可滿足本系統需要對輸入模擬量上下限進行設定的要求，同時該器件具有最多11路的模擬量輸入功能，因而可使本系統實現最多11路的濕度測量功能。
而HIH3610的輸出可直接與TLC2543的模擬輸入端相連，這里關鍵是要設定TLC2543的REF+和REF-的基準電壓輸入端參考電壓值，我們采用了電阻分壓方式，其中R1和RP1用于設定滿度電壓值，調整RP1可使滿度電壓值在1/2Vref~Vref之間變化。R2和RP2用于設定零值電壓，調整RP2可使基準值電壓在0~1/2Vref之間變化，零值電壓和滿度電壓值可根據HIH3610出廠時給出的標定值，計算出該傳感器的最大和最小輸出電壓值來設定。這里RP1和RP2應采用精密多圈電位器。
溫度傳感器DS18B20采用外加電源供電方式，可根據測溫點數的需要將多個DS18B20掛在一根總線上，并與單片機AT89C52的P1.0口線相連。
中文界面及實現
本系統由于要顯示多路溫濕度值，如采用LED顯示器分時循環顯示的方法，每通道顯示時間為2s，則顯示完成全部通道的溫濕度值所需要的時間為44s，這對于要求快速顯示測量值的應用場合顯然是不合適的。另一方面對智能化的測量儀器而言，如能擁有一個友好中文人機界面則將大大增強儀器的可操作性，并可提高測量儀器的檔次，基于以上的考慮，這里采用了內藏中文字庫的液晶圖形顯示模塊LCM1286ZK，該模塊的顯示點陣數為128×64，可分為4行顯示，每行最多為8個漢字或16個ASCⅡ字符，從而很好地解決了LED循環顯示周期過長及人機顯示界面不友好的弊端。LCM12864ZK與單片機的接口方式有8 位/4位并行和2/3線串行模式。這里利用其二線串行模式與單片機接口，簡化了與單片機的接口電路設計，并減少了硬件資源的占用。
數據保存
為了將實時采集的各點溫濕度值保存下來，以便于對歷史數據查閱和繪制出實時或歷史溫濕度值變化曲線，同時也為便于將歷史測量的溫濕度值傳送給上位機，由上位機來完成各點溫濕度值的變化規律統計分析。這里擴展了一片基于I2C總線的高性能鐵電存儲器FM24C256，該存儲器兼具ROM和RAM的優點。存儲容量為32Kbyte，由于本系統的數據采集周期可在1~30分鐘的范圍內設置。為了便于按采集的日期及時間保存溫濕度值，我們擴展了I2C總線實時日歷時鐘SD2002，該器件可與FM24C256掛在同一條I2C總線上。數據保存格式為：小時(1字節)、分鐘(1字節)、濕度值(2字節)、溫度值(1字節)，這樣保存全部的11個通道溫濕度值所需的存儲空間為35個字節，當數據采集周期設定為10分鐘時，可保存15個小時的溫濕度數據。

系統硬件特點
大信號傳感器
傳統的溫濕度測量多采用模擬小信號傳感器，不僅信號調理電路復雜，且濕度值的標定過程也極其復雜，并需要使用昂貴的標定儀器設備。而本系統由于采用了大信號濕度傳感器及數字式溫度傳感器，因而無須進行信號的調理，也無須對傳感器進行重新標定,且大信號輸出形式有利于傳感器信號的遠距離傳輸。以上特點大大簡化了測試儀器前向通道的設計。
串行擴展技術
本系統摒棄了傳統單片機的總線擴展方式而采用串行擴展技術來擴展外圍功能電路。雖然AT89C52單片機并不直接支持各種串行總線接口，但是這里采用了單片機的通用I/O口線，來模擬I2C總線、1-wire總線、SPI總線及二線串行總線，并通過軟件編程來實現與各外圍器件的通信功能。串行擴展技術簡化了儀器接口設計的復雜程度，并提高了儀器工作的可靠性。但值得注意的是，串行擴展技術簡單的硬件接口是以復雜的接口時序為代價的，因而在軟件編程時一定要嚴格遵守器件的操作時序。

圖1 多通道溫濕度測試儀硬件原理框圖

圖2 前向通道電路原理圖

測量精度
本系統由于采用了大信號濕度傳感器及數字式溫度傳感器，故具有較高的測量精度，同時由于采用了12位的A/D轉換器，使得濕度值具有較高的分辨率。對本系統濕度測量精度影響較大的是A/D轉換器基準參考點電壓的設定，這也是本儀器中唯一一處需要調試的硬件電路，因而精密基準電壓源及電壓調整元件的選型至關重要。如軟硬件調試無誤，本測量儀的濕度測量精度可達±2%RH，溫度精度可達±0.5%℃。
軟件功能
本測試儀軟件首先對系統各器件進行初始化，然后啟動TLC2543 A/D轉換器的自檢，根據A/D轉換器的測試輸出值是否為(Vref+-Vref-)/2、Vref-及Vref+來判斷A/D轉換系統的正常與否，然后啟動A/D轉換，完成對各通道濕度信號的采樣，并將采集的濕度值進行溫度補償及標度變換后，送至液晶顯示器顯示和送入鐵電存儲器中進行數據的保存。為了實現溫濕度信號采集的即插即測功能，在軟件中使用了零值檢測跳過技術及無匹配跳過技術,即對濕度信號采集時，如采集結果為零，說明該路傳感器沒有接入，程序將自動跳過該傳感器進行下一路傳感器數據的采集直到相應的傳感器結果不為零時，則將該路濕度值和傳感器號送去顯示，這樣就可做到濕度傳感器的自動識別功能。而溫度的采集則預先將所有的DS18B20的匹配碼全部寫入到單片機片內程序存儲器匹配碼表格區中，每周期采集一次溫度值。單片機首先發送匹配碼，只有能匹配的傳感器才能讀回溫度值，否則跳過該傳感器，這樣就可實現溫度傳感器的即插即測功能。與上位機的數據通信則采用由上位機發送命令碼的方式，根據命令碼的內容而執行相應的操作功能。

結語
多通道智能溫濕度測試儀研制完成后經實際使用證明，具有測量精度高，硬件電路簡單，使用方便的特點，克服了傳統溫濕度儀測量精度低、電路復雜、調試及標定困難等缺點，同時還具有人機界面友好、智能化程度高、溫濕度測試點數較多且可實現即插即測功能等特點，為溫濕度測量的自動化奠定了良好的基礎。