系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)基于MXT8051混合信號微處理器來開發(fā)，兼具低成本和高性能，主要包括六個部分：MXT8051處理器、溫度傳感器及調(diào)理電路、濕度傳感器及調(diào)理電路、LCD顯示和PC機管理軟件，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
系統(tǒng)以控制芯片MXT8051為控制核心，MXT8051內(nèi)部集成144段式LCD驅(qū)動和5個外部中斷源，能夠滿足微控制系統(tǒng)中對于人機信息交互的需要;其獨特的可調(diào)增益放大器、恒流源、放大器模擬模塊，可為電阻式傳感器(如壓力、溫度、光線)或其他生物傳感器提供完備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和采集系統(tǒng)。測溫電路采用PT100，采用恒流源測溫方式。測濕電路使用HIH4000，這是一型具有激光調(diào)整互換型的容性變化的單片集成電路，其輸出電壓與RH值呈線性關(guān)系，精度高，響應(yīng)時間快，漂移小。存儲器使用AT24C1024，可存儲1Mbit數(shù)據(jù)。控制芯片MXT8051按照上位機軟件設(shè)定的記錄間隔(2秒～24小時連續(xù)可調(diào))采集溫度和濕度，并將檢測到的數(shù)據(jù)存儲到AT24C1024中。溫度濕度記錄通過USB轉(zhuǎn)串口與PC機連接，通過上位機軟件可設(shè)定記錄開始時間，記錄間隔等。
溫度檢測電路
本項目設(shè)計目標(biāo)為測量范圍-40℃～100℃，測量精度±0.5℃，分辨率為±0.1℃，基于性價比考慮，采用線性度相對較好的PT100作為本項目的溫度傳感器。
溫度測量采用恒流源測溫方式，測量調(diào)理電路如圖2、圖3所示，采用MXT8051的片上資源。如圖2所示，利用OP0、VREF1、VREF2和外部電阻820Ω構(gòu)成恒流源為傳感器PT100供電。 如圖3所示，OP1、OP2與可控電阻網(wǎng)絡(luò)一起組成一個差分輸入的PGA。OP3起調(diào)零的作用。兩個可調(diào)電阻由RESCON控制，且具有相同的阻值，調(diào)節(jié)范圍為100～355kΩ。
OP2的輸出為： VOP20=VREF1+(21+0.2×RESCON)×(
) (1)
其中RESCON為特殊功能寄存器RESCON的值。
OP3的輸出為： VOP30=2×[VREF1+(21+0.2×RESCON)]×(
)-VDAC (2)
通過AD通道3測量OP3的輸出電壓，計算出相應(yīng)的PT100電阻值，查表得出實際檢測的溫度。
濕度檢測電路
本文采用的濕度傳感器是Honeywell公司生產(chǎn)的HIH-4000。這是具有激光調(diào)整互換型容性變化的單片集成電路，其輸出電壓與RH值呈線性關(guān)系，精度高，響應(yīng)時間快，漂移小, 典型工作電流僅為200mA，令HIH-4000 系列非常適合低功耗，電池工作的系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)工作電壓(DC5V)和標(biāo)準(zhǔn)室溫(25℃)下，隨著RH值從0%到100%，對應(yīng)的輸出電壓從0.96V到3.90V。本記錄儀使用單節(jié)鋰電池供電，而HIH-4000最佳工作電壓是5V，因此采用AIC1896進行升壓。使用AD通道1測量HIH-4000的工作電壓，AD通道2測量濕度輸出電壓，因為AD的參考電壓是1.26V，所以需要用300kΩ和100kΩ電阻進行分壓。濕度調(diào)理電路如圖4所示。
此時，相對濕度值計算公式如下：
(3)
V輸出是HIH-4000的濕度輸出電壓，V供電是HIH-4000的工作電壓。
數(shù)據(jù)存儲傳輸設(shè)計
記錄儀按照PC機管理軟件所設(shè)定的記錄間隔采集溫度、濕度，并記錄在EEPROM芯片AT24C1024上，記錄容量為65528組數(shù)據(jù)。為了對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理(如統(tǒng)計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等)，需將數(shù)據(jù)從送至計算機開始進行分析。本系統(tǒng)中，MXT8051具有UART通信口，可通過USB轉(zhuǎn)串口芯片PL2303與PC機通信，使用以下通信協(xié)議：PC機命令組成(11個字節(jié))：命令字、記錄儀ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容。記錄儀回應(yīng)PC機的命令：命令字、記錄儀ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容、OK。
低功耗設(shè)計
溫濕度記錄儀需要長時間工作，并采用單節(jié)鋰電池供電，系統(tǒng)功耗是一個首要問題。本文采用以下幾方面的措施：系統(tǒng)使用低頻率的晶振，同時又要兼顧與PC機的通信速度，最終選擇1.8432MHz的晶振;系統(tǒng)平時處于待機狀態(tài)，MXT8051片上外設(shè)均停止工作，包括AD、PGA、給溫度傳感器供電的恒流源電路，當(dāng)記錄時間間隔到時才啟動工作;濕度傳感器供電電路平時關(guān)閉，當(dāng)記錄時間間隔到時才給濕度傳感器供電。
PC機管理軟件設(shè)計
PC機管理軟件是在Dephi環(huán)境下設(shè)計完成的，可運行于Windows 操作平臺，采用串口與記錄儀進行通信，使用了SPComm V2.5串口控件，降低了開發(fā)難度，大大增加了可靠性。軟件功能強大，使用方便，可通過列表顯示數(shù)據(jù)和繪制曲線分析圖，歷史數(shù)據(jù)可以查詢、保存和打印。軟件啟動時，首先對串口1到串口16發(fā)出查詢指令，檢測是否有設(shè)備連接，如果有設(shè)備則讀取該記錄儀內(nèi)保存的數(shù)據(jù)，并通過列表和曲線圖表示出來。讀取出來的數(shù)據(jù)可以保存成文本或EXCEL格式。同時，可通過管理軟件對記錄儀進行配置，主要是調(diào)整記錄儀時間，包括記錄開始時間、記錄間隔、工作模式(溫度、濕度)等。
