引言
溫濕度的測(cè)量在氣象、倉儲(chǔ)及人工氣候環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用。溫濕度傳感元件具有非線性的缺點(diǎn)，它的特性曲線呈近似拋物線型。若要用于測(cè)控系統(tǒng)，必須對(duì)其進(jìn)行線性化處理。另外，工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多接受4～20ma的輸出電流標(biāo)準(zhǔn)，為使溫濕度傳感器變得通用，有必要將其標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。

傳感器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組成及原理

本傳感器由傳感單元和數(shù)據(jù)處理電路組成，如圖1所示。
傳感單元的熱敏、濕敏元件先將非電量(溫度和濕度)轉(zhuǎn)換為電量(電壓)，然后進(jìn)行預(yù)處理。輸出電壓為0～5v，且是非線性關(guān)系。

數(shù)據(jù)處理電路中，tlc0832是串行接口的雙通道a/d轉(zhuǎn)換芯片。從要求高可靠性、低功耗、小體積特點(diǎn)出發(fā)，嵌入式微處理器選用at89c2051單片機(jī)。其性價(jià)比高，技術(shù)成熟可靠，使用靈活方便，完全兼容mcs－51系列單片機(jī)。由于采用了高速cmos flash/eeprom技術(shù)，對(duì)嵌入式應(yīng)用來說有很高的效率和很大靈活性，拓展了單片機(jī)的應(yīng)用空間。

max5102進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換，ad694則承擔(dān)將電壓轉(zhuǎn)換為電流的工作。為確保系統(tǒng)工作可靠，外加一片看門狗芯片max813l來防止程序"跑飛"。

4～20ma電流輸出接口電路

本電路中采用了maxim公司的max5102和analog devices公司的ad694芯片。

max5102

max5102是電壓型雙通道八位并行輸入的滿刻度d/a轉(zhuǎn)換芯片，供電電壓＋2.7v～＋5.5v，采用16腳tssop封裝。參考電壓vref范圍可為從低電平到高電平之間的任意值，提供精確的00h～ffh滿刻度點(diǎn)對(duì)點(diǎn)轉(zhuǎn)換。輸出電壓值的計(jì)算公式為：

v = (nb vref) / 256

max5102對(duì)它的兩個(gè)通道都有獨(dú)立的鎖存器，數(shù)據(jù)從8位并行口輸入鎖存。在將/wr置低電平時(shí)，通過地址位a0選擇不同的通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，操作簡(jiǎn)便。同時(shí)，它的供電電流極低，工作時(shí)電流為0.2ma，關(guān)斷模式下電流減小到1na。上電復(fù)位時(shí)所有寄存器為0。

ad694

ad694是標(biāo)準(zhǔn)單路輸入v/i轉(zhuǎn)換芯片，供電電壓為＋4.5v～＋36v，可為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20ma電流環(huán)路輸出。輸入信號(hào)可由一個(gè)輸入放大器進(jìn)行緩沖。輸入的電壓信號(hào)范圍根據(jù)對(duì)應(yīng)管腳連接的不同可為0～2v或0～10v。其他范圍可通過外加電阻來編程實(shí)現(xiàn)。4ma的邏輯零電流也可以通過ttl電路控制相應(yīng)的管腳使輸出電流變?yōu)?ma。
ad694具有內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，可用作外接芯片的參考電壓，這樣既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，又節(jié)省了空間。另外，ad694有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，是需要免除噪聲的4～20ma信號(hào)傳遞以操作電子管、傳動(dòng)裝置和其他控制器件的理想選擇。

以max5102為核心的接口電路

電路圖如圖2所示。

at89c2051的p1口作為數(shù)據(jù)輸出端，p3.7作為max5102的通道選擇連接到a0。當(dāng)a0為"0"時(shí)表示選通y1，為"1"時(shí)表示選通y2。ad694的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2v，作為max5102的參考電壓。p3.3控制max5102的片選信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

軟件概述

89c2051內(nèi)置2kflash程序存儲(chǔ)器，用來存放用戶程序。程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括a/d 轉(zhuǎn)換子程序，一次濾波求平均值子程序，查表計(jì)算子程序，二次濾波計(jì)算子程序，d/a轉(zhuǎn)換子程序。讀入的溫度、濕度信號(hào)分別放到以20h和30h開始的內(nèi)部數(shù)據(jù)單元。為了能迅速讀出當(dāng)前的溫濕度值，上電復(fù)位后第一次數(shù)據(jù)采樣處理時(shí)，可以跳過二次濾波子程序。第二次數(shù)據(jù)采樣再按照順序一一進(jìn)行。

濾波及線性化算法

本程序采用兩次濾波和兩次查表線性化。一次濾波采用算術(shù)平均值算法，即把一個(gè)采樣周期內(nèi)的n次采樣值相加，然后再除以采樣次數(shù)n，即可得到該周期的采樣值。再查傳感器本身自帶的一張表，得到相應(yīng)的溫濕度的值（十進(jìn)制bcd碼）。

在查表的過程中，用到的指令為 movc a，@a+pc。本程序中變址采用溫濕度值，但必須為16進(jìn)制，而一次查表得到的是bcd碼，所以兩次查表中間還需要一個(gè)十～二進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序。

在線性化查表后,為了消除干擾所導(dǎo)致的輸出值突變，采用了二次濾波即限幅濾波方法。具體算法是：把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對(duì)值表示），然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定） y進(jìn)行比較，若小于或等于 y，則取本次采樣值；若大于 y，則本次采樣值為上次采樣值 y。在本程序中， y取為2。

max5102的d/a轉(zhuǎn)換子程序

max5102的時(shí)序如圖3所示。選中轉(zhuǎn)換的通道后，/wr為"0"時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，即在數(shù)字量為00h～ffh變化的過程中，輸出端
對(duì)應(yīng)輸出0～vref電壓值。/wr變"1"后數(shù)據(jù)鎖存，輸出電壓保持不變。

；d/a轉(zhuǎn)換子程序
writ equ p3.3 ；max5102's chip select
a0 equ p3.7
dac：setb a0
mov p1， data1
clr writ
setb writ

結(jié)束語

本文所述的智能傳感器以研制成功，并小批量試生產(chǎn)，因其具有體積小、成本低、使用簡(jiǎn)單方便、不易受環(huán)境的影響、穩(wěn)定性好、易于與檢測(cè)控制系統(tǒng)相連等優(yōu)點(diǎn)，有著較廣泛的應(yīng)用