基于USB接口的智能温湿度检测仪

郑艳博，刘君梅，李焕娜，李洪杰

（1.河北科技学院，河北 保定 071000；2.河北软件职业技术学院，河北 保定 071000；3.大唐保定热电厂，河北 保定 071001）

0 引言

温度与湿度是与人类关系密切的两个物理量，例如，在温室栽培等农业生产中，若不严格控制温湿度，作物就不能正常生长，会严重影响产量和质量；在精密仪器制造车间，若温湿度不符合要求，不仅生产设备不能正常工作，而且所生产的产品精度也不符合标准；在DNA合成等高分子实验室，对温湿度的要求更加严格；粮库、军火库等仓库，也要控制温湿度，否则，粮食等储存物会发霉，武器的性能、精度、质量和寿命都会受到严重影响。因此，对温湿度的准确检测与控制非常重要。

传统温湿度检测把温度和湿度分开测量，湿度检测采用模拟式湿度传感器，需要设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程，测量精度难以得到保证，且线性度、重复性、互换性、一致性也不尽人意。温湿度检测参数大多采用LED显示，存在功耗大、字体粗糙、电路繁琐、掉电后数据易丢失等问题。随着电子技术及传感器技术的飞速发展，高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、体积小、可以连续测量、通用性强的传感器相继问世。智能温湿度检测仪采用新型数字温湿度一体化传感器，长期稳定，可靠性强，提高了测量精度。检测参数采用LCD显示，功耗小，显示清晰，电路简单。数据存储采用非易失性数据存储器，掉电后数据可保存10年。仪器与上位机（PC机）通讯采用USB接口，使用方便。

图1 检测仪硬件结构框图

1 检测仪硬件电路设计

检测仪硬件结构主要由采集、显示、存储及通讯四个模块组成，检测仪硬件结构见图1。

1.1 单片机

单片机采用美国ATMEL公司的低电压、高性能CMOS 8位单片机AT89C52，片内含有8kb可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），256字节随机存储器（RAM），适用于许多复杂控制应用场合。

1.2 温湿度的采集及显示

温湿度的采集选用了瑞士Sensirion公司的新型数字温湿度传感器SHT71，该传感器将传感器元件、信号放大器、模/数转换器、标准数据存储器、I2C总线等外围电路集成在了一个芯片上，信号强度增加，抗干扰性增强，且长期稳定性也得到了保证。显示模块采用了功耗较低的ABG128064B型液晶显示模块，该液晶屏具有EL背光，在亮度不同的场合，用户都可以清晰地读取检测参数。

1.3 数据存储

该检测仪采用的是美国Ramtron公司的FM31256型非易失性铁电存储器，此存储器主要功能包含铁电非易失性存储器、实时时钟、低电压复位、看门狗记数器、非易失的事件记数器等，无限次读写，掉电后数据可保持10年。此芯片的使用，节省了DS1302时钟电路和X5045看门狗电路，提高了检测仪的集成度，缩小了其体积。

因为FM31256永远都是从机，系统软件可以把它当成两个独立产品，其中一个是拥有唯一的从机地址1010B的实时时钟和处理器伴侣；另一个是从机地址1101B的存储器。所以，只要通过软件就可实现对它的操作。

1.4 USB通讯

USB接口具有数据传输速率高、使用方便等特点。USB协议规定的全速传输速率为12 Mbps，非常适合有大量数据传输的系统，并且USB设备支持即插即用，无需重新启动计算机。所以，检测仪与PC机之间的通讯采用USB串行通讯，该仪器采用的是CH375 USB接口芯片。

使用CH375，不需要了解任何USB协议或者固件程序，甚至驱动程序就可以轻松地设计USB接口产品。该芯片支持两种使用方式，即Slave设备方式和Host主机方式。具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出的CH375可以与单片机/DSP/MCU等控制器的系统总线挂接。与CH375配套的软件具有简洁的操作接口，可以轻松地与本地端的单片机通信，同时CH375内置了USB底层协议。基于以上原因本系统采用CH375芯片。

CH375与单片机连接电路图见图2。

图2 CH375与单片机连接电路图

2 检测仪软件设计

检测仪软件设计包括初始化、温湿度采集、读取时钟数据、数据存储和数据显示五大模块，采用C51语言编写下位机程序。下位机软件总程序如图3所示。

图3 下位机软件总程序框图

2.1 初始化

包括 SHT71、FM31256、ABG128064、CH375 的初始化程序。

2.2 温湿度采集

2.3 读取时钟数据

2.4 数据存储

2.5 数据显示

3 上位机（PC机）数据处理软件设计

上位机数据处理系统流程如图4所示。

图4 上位机数据处理系统流程图

PC机软件采用Visual Basic6.0在Windows环境下实现。该系统分为三大模块：通讯检查、参数设置、数据处理。

3.1 通讯检查及参数设置

为保证进行正常的数据传输，在通讯之前要对通讯电缆、通讯器件进行检查。通讯检查若正常则提示可进行正常通讯；若有故障则报警提示。在参数模块可以设置检测仪启动和停止的日期、时刻及是否循环记录。当设计好这些参数后，则提示参数设置成功。参数设置的目的是让检测仪按照用户的要求选择需要测量的任何时间段的温湿度，并且当内存不够时，用户还可对检测仪存储的数据进行处理，保留原数据或将原数据覆盖。

3.2 数据处理

本模块可以实时显示数据处理记录，同时在计算机上可以实时读取检测仪数据，并绘制温湿度曲线。也可将记录的数据以Excel报表形式输出，并求得任意时段的温湿度最大值、最小值、平均值和方差，分析结果可以保存，也可打印出来。

4 结论

检测仪采用新型的数字式温湿度一体化传感器（SHT71）和大容量非易失性铁电存储器FM31256，与上位机（PC机）通讯采用方便可靠的USB接口，可完全自动实现按用户需求设定的任意时段的温湿度值的检测和存储，不需操作人员干预，适用于危险场合温湿度的检测。该检测仪具有检测精度高，记录数据可靠，使用方便的特点。

［1］许平，田瑜，张振仁.通用型温湿度检测仪的研制［J］.中国仪器仪表，2004（1）：35－37.

［2］张中平.基于MEMS的湿度检测仪的研制［J］.传感技术学报，2003（2）：113－116.

［3］何立民.MCS－51系列单片机应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.