基于ATmega8L+SHT75的温湿度、露点采集系统设计

孟凡智，卢国朋

(1.沈阳华晨金杯汽车有限公司 海狮涂装车间，辽宁 沈阳 110044； 2.沈阳北冰洋食品工程有限公司 技术部，辽宁 沈阳 110164)

基于ATmega8L+SHT75的温湿度、露点采集系统设计

孟凡智1，卢国朋2

(1.沈阳华晨金杯汽车有限公司 海狮涂装车间，辽宁 沈阳 110044； 2.沈阳北冰洋食品工程有限公司 技术部，辽宁 沈阳 110164)

介绍了高性能传感器芯片SHT75的应用设计，并使用现场工业总线实现对大量远距离分散点温度、湿度和露点的高精度采集与控制。该设计具有实现简单，性价比高，功能强大等特点。

温湿度露点数据采集；Modbus；ATmega8L；SHT75

工业中对温度、湿度及露点精确监控和控制的地方很多，但长期以来一直使用热电阻/电偶及4～20 mA等采集和变送方式，湿度和露点的实时精确数字化采集更是困难。对于实现大量远距离分散采集点的集中监视和远程控制，存在技术实施繁琐成本高布线不便等缺点。本设计有效解决了上述问题，在低成本的前提下完成了多点温湿度和露点的实时数据精确采集和传输，并使用流行的Modbus总线与其他智能控制器及PLC、组态软件等进行数据交换和远距离控制。

1 控制系统硬件设计

本系统采用以AVR单片机(ATmega8L)为核心的控制电路[1]，配以电源单元、485通信单元、传感器单元、继电器驱动控制单元和一些功能跳线(波特率和站号拨码开关)构成完整的系统，其硬件结构如图1所示。

1.1电源单元设计

温湿度露点控制系统的硬件电源模块是由MC34063A为核心元件的低成本电路。MC34063A是一种单片DC-DC变换控制电路，片内包含带有温度补偿的基准电压源、比较器、带激励电流限制的占空比可控振荡器、驱动器和大电流输出开关等，使用极少的外接元件就能够构成高效率开关式降压变换器[2]。

1.2传感器选型

Sensirion公司的SHT75是一款高度集成的温湿度复合传感器芯片(如图2)，提供全量程标定的数字输出。它采用专利的工业COMS过程微加工技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件,这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。因此，该传感器具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度校验室中进行校准，通过标定得到的校准系数以程序形式存储在芯片本身的OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

通过两线制的串行接口与内部的基准电压，使系统集成变得快速而简单。微小体积，极低功耗等优点，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

湿度：

量程范围：0～100% RH；精度：±1.8% RH；分辩率：0.05% RH(12 Bit)；重复性：±0.1% RH；响应时间：typ. 8 s；迟滞：±1%RH；长期稳定性：<0.5% RH/yr；

温度：

量程范围：-40 ℃～+123.8 ℃；精度：±0.3 ℃；分辩率：0.01 ℃(14Bit)；重复性：±0.1 ℃；响应时间：5 s～30 s；

电源电压2.4 V～5.5 V[3]；

1.3485通信单元

由AVR单片机内集成的UART与外部RS485芯片来构建总线进行通信，选用差分数据收发器SN75LBC184，该芯片带有内置高能量瞬变噪声保护装置，能承受峰值400 W(典型值)的过压瞬变。在电噪声环境下传输速率可达250 kbps，允许总线上挂接最多128个类似器件[4]。

输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。考虑到线路的特殊情况(如某一台分机的485芯片被击穿短路)，为防止总线中其它分机的通信受到影响，在SN75LBC184的485信号输出端串联了两个20 Ω的电阻。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。由于选用通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120 Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120 Ω的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射。

由于RS-485接口标准，接收器的检测灵敏度为±200 mV，即差分输入端VA-VB≥+200 mV，输出逻辑1，VA-VB≤-200 mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200 mV 时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B端电位，这样RXD的电平在485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平，单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻即可很好地解决这个问题。

1.4驱动控制单元

驱动控制单元本设计采用继电器的无源触点输出。单片机通过光电耦合器TP521控制三极管的基极，通过该三极管驱动继电器线圈，该线圈采用与控制系统隔离的24 V电源驱动，并在线圈端并联反向电流释放二极管，通过该继电器完成其他关联设备的启动与停止控制，完成远程控制功能。

2 总线通信协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

控制器通过使用主-从技术，主设备可单独和从设备通信，如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域[5]。

从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

Modbus协议规定了两种通信方式ASCII码或RTU(Remote Terminal Unit)模式。ASCII码模式规定在消息中的每个8Bit字节作为两个ASCII字符发送。数据校验方式为LRC(Cyclical Redundancy Check)，这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。在同样的波特率下，RTU模式可比ASCII模式传送更多的数据，RTU模式在消息中的每个8Bit字节包含2个4 Bit的十六进制字符，数据校验采用CRC，这样有效的提高了通信效率。基于以上优点本设计采用RTU模式。

RTU消息帧的结构如表1所示，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始，地址域为8 Bit，可能的从设备地址是0～247(十进制)，单个设备的地址范围是1～247，地址0是用作广播地址。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始[6]。

表1 RTU消息帧结构

整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一个字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不能是正确的。

3 软件设计

本设计作为Modbus协议的从站，其单片机程序设计模块主要包括 UART中断服务程序、Modbus接收消息帧处理程序、Modbus回送消息帧程序，并且应将Modbus协议定义的功能代码表[7]预先存储于ROM中，具体软件执行流程图[8]如图3所示。

单片机初始化后，UART处于接收状态，当监测到RS-485总线上有数据传送，则立即相应中断程序接收该数据。在监测总线及接收或发送数据期间启动定时器，用来监控间隔时间是否符合Modbus协议要求。

Modbus接收消息帧处理程序主要完成Modbus协议解析与处理功能，具体负责将接收缓冲区内的Modbus消息帧进行地址比较、CRC校验、功能代码解析，该解析完成接收与单片机内存储功能代码的功能代码比对，并根据功能代码调用相应功能码处理子程序，完成读温湿度、露点，设置继电器线圈等功能操作。

Modbus回送消息帧处理程序完成单片机通过UART向总线回送消息帧的功能，该响应帧对于接收到的无效功能代码启动回送例外响应帧程序向Modbus主设备报告异常，对于依据代码功能完成相应操作的启动回送响应帧程序向Modbus主设备回复处理结果或数据。至此完成了Modbus主-从设备通信和相应的功能调用。

4 结语

该Modbus从设备已经成功应用到汽车涂装车间的空调系统中，通过Modbus总线与远程PLC连接，PLC作为Modbus主设备，该Modbus从设备接收PLC发送的功能指令，并依据指令要求回送温湿度和露点数值及设置继电器线圈，完成现场温湿度和露点数据上传及现场加湿器和加热器的开关控制，并通过与PLC连接的触摸屏实时监控各现场温湿度、露点及设备开关状态。达到了预期效果，完成了分散采集点温度、湿度及露点的集中监视和远程控制。

本次设计仅依托继电器完成了驱动控制单元，也可根据现场需要增加按钮和液晶屏，完成本地温度和湿度上下限设定值的输入和监视功能。另外由于该Modbus从设备中包含单片机控制器，也可通过进一步扩展单片机控制程序，增加在Modbus总线失效或未连接状态下独立工作的功能，完成本地现场的温湿度、露点采集并通过继电器输出控制相关加湿器及加热器等执行器件的独立闭环温湿度、露点监控及调节控制功能。

[1] Atmel. ATmega8(L) Datasheet[EB/OL].(2013-02)[2017-01-05] .http://www.atmel.com/Images/doc2486.pdf.

[2] ON Semiconductor.MC34063A Datasheet[EB/OL]. (2016-12)[2017-01-05].http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF.

[3] Sensirion.Humidity Sensor SHT75 Datasheet[EB/OL]. (2011-12)[2017-01-05]. https://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/Dokumente/2_Humidity_Sensors/Sensirion_Humidity_Sensors_SHT7x_Datasheet_V5.pdf.

[4] Texas Instruments.SN75LBC184 Datasheet[EB/OL]. (2015-06)[2017-01-05].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn75lbc184.pdf.

[5] Modbus.org. MODBUS over Serial Line Specification and Implementation Guide V1.02 [EB/OL]. (2006-12-20)[2017-01-05].http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf.

[6] MODICON.Modicon Modbus Protocol Reference Guide [EB/OL]. (1996-06)[2017-01-05]. http://www.modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf.

[7] Modbus-IDA. MODBUS APPLICATION PROTOCOL SPECIFICATION V1.1b[EB/OL]. (2006-12-28)[2017-01-05]. http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf.

[8] 孟凡智. 一种基于Modbus协议的从设备：中国，201410638452.2[P].2015-04-01.

DesignofTemperature，Humidity&DewPointAcquisitionBasedonATmega8L+SHT75

MENG Fan-zhi1, LU Guo-peng2

(1.Paint Shop, Shenyang Brilliance Jinbei Automobile Co., Ltd, Shenyang 110044, Liaoning, China;2.Technology Department, Shenyang Beibingyang Food Engineering Co., Ltd,Shenyang 110164, Liaoning, China)

The application design of high-powered sensor SHT75 is introduced. For numbers of disperse point, high accurate data acquisition of its temperature, humidity &dew point can be achieved. This design has many advantages, such as simple realization, high-powered ness, and low price.

temperature, humidity &dew data acquisition; Modbus; ATmega8L; SHT75

TN87

A

1008-9446(2017)05-0051-05

2017-01-11

孟凡智(1981-)，男，辽宁沈阳人，工程师，硕士，主要从事汽车工业自动化设备的设计制造与维护，E-mail:fanzhi.meng@brilliance-auto.com。