基于RS 485总线的土壤温湿度集成传感器

刘信宏 解鲁旭 赵祺?

摘 要：文中基于RS 485总线设计的温湿度传感器，具有对土壤温湿度进行监测的功能，它由温湿度传感芯片、单片机和RS 485通信模块组成，其中温湿度传感芯片负责温湿度的采集，并将采集到的数据传输到单片机，单片机接收后对数据进行处理并输送到RS 485总线。传感器将温湿度传感芯片、单片机和通信模块集成为一个模块，使其能够将温湿度传感芯片输出的信号经单片机的处理，输出用RS 485总线传输的通用信号。

关键词：RS 485总线;土壤温湿度;集成模块

1 传感器整体结构

传感器集成了温湿度传感器芯片、单片机和通信模块，采用四线制结构，分别为电源线VCC、地线GND和两个数据线A，B。其中温湿度传感器芯片采用SHT10，单片机采用STC15W204S，RS 485通信。该传感器用于采集环境的温湿度，可应用到支持RS 485通信的系统中，作为前段数据采集模块使用，具有良好的可移植性。

该传感器是一种智能传感控制器，它相对传统普通传感器的优势在于不仅能够做到单纯的测量，而且能在内部对信号进行处理和转换。传感器内部结构如图1所示。

1.1 技术参数传感器技术参数见表1所列。

本传感器采用STC15W202S单片机，其内部集成有高可靠复位电路，ISP编程时16级复位门槛电压可选，且其内部集成高精度R/C时钟（+/-0.3%），+/-1%温飘（-40～+85 ℃），常温下温飘为+/-0.6%（-20～+65 ℃），5～35 MHz可设置，因此无需外部晶振和外部复位电路。STC15W202S单片机需要连接电源引脚和接地引脚，单片机的P33口接收测温元件输出的数据，P32口向测温元件输出时钟信号，P31和P30口向MAX13487输出信号。STC15W202S连线如图3所示。

2.2 传感器电路设计温湿度检测选用SHT10温湿度传感器，SHT10与单片机通过引脚DATA通信，将2号引脚DATA接到单片机P33口，1号引脚接5 V电源，3号引脚接单片机P32口，4号引脚接地，连线如图4所示。

2.3 RS 485通信电路设计本方案采用的MAX13487芯片是用于RS 485通信的低功耗收发器，每个器件均含一路驱动器和一路接收器，具有热插拔功能，可消除上电或热插入时总线上的故障瞬变信号，同时具有Maxim自动方向控制功能MAX13487的2，3引脚为接收器输出使能和关断控制，在此设计中两引脚始终处于使能状态，因此两引脚均接高电平。

1，4两引脚为接收器输入和驱动器输入，接收来自单片机的信号，因此与单片机STC15W202S的信号输出口P3.0和P3.1相连，如图5，图6所示。

2.4 各模块间连接单片机STC15W202S的P33口接收测温元件输出的数据，P32口向测温元件输出时钟信号，P31和P30口向MAX13487输出信号。

SHT10与单片机通过引脚DATA通信，将2号引脚DATA接到单片机PC33口。

2.5 护套的选择土壤温湿度传感器需做双防水处理，防凝露损坏。即使埋在土里该传感器仍旧测量土壤中空气的相对湿度，而非土壤湿度。护套采用PE材料，防水透气，水分子能够进入护套，水滴由于表面张力而无法进入护套。

2.6 电路板的灌封本传感器采用有机硅灌封胶灌封。有机硅灌封胶具有防潮、防尘、防腐蚀、防震等作用，可提高传感器使用性能和稳定参数，其在硫化前是液体，便于灌注，使用方便。应用有机硅凝胶进行灌封时，无应力收缩，可深层硫化，无任何腐蚀，透明硅胶在硫化后变成透明弹性体，胶层封装的元器件清晰可见，可以用针逐个测量元件参数，便于检测与返修。

3 温湿度传感器软件设计

3.1 原理传感器软件设计原理如图7所示。

3.2 温湿度传感器与单片机通信方式DATA用于微处理器与SHT10之间的通信和同步，采用单总线数据格式，一次通信时间约4 ms，数据分为小数部分和整数部分。

一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。

数据格式：8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+

8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和。

数据传送正确时校验和数据等于“8 bit湿度整数数据+

8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据”所得结果的末8位。

3.2.1 发送指令用一组“启动传输”时序来完成数据传输的初始化，当SCK 时钟高电平时DATA翻转为低电平，之后SCK变为低电平，当SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。“启动传输”时序如图8所示。

3.2.2 温湿度检测发布一组测量命令（‘00000101表示相對湿度RH，‘00000011表示温度T）后，控制器要等待测量结束，该过程需要约20/80/320 ms，分别对应8/12/14 bit测量。确切时间随内部晶振速度变化，变化范围为30%。SHT1x通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量结束。控制器再次触发SCK时钟前，必须等待“数据备妥”信号以读出数据。检测数据提前存储，方便控制器继续执行其他任务时读取数据。之后传输2 B的测量数据和1 B的CRC奇偶校验。uC需通过下拉DATA为低电平以确认每个字节，所有数据从MSB开始，右值有效，在收到CRC确认位后，表明通信结束。

3.2.3 通信复位时序如果与SHT1x通信中断，可通过下列信号时序复位：当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多。接着发送一个“传输启动”时序，这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。复位时序如图9所示。

4 本装置的主要创新点

（1）逻辑判断，统计处理功能。本传感器能分析、统计和修正监测数据，进行非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应及缓慢漂移等误差补偿。根据系统工作情况决策各部分供电和向上位计算机传送数据的速率，使系统工作在最低功耗状态和传送效率优化状态。

（2）本系统设计的防水型土壤参数传感器为智能传感控制器，将传感器与单片机集成为单独的模块，使其能够将温湿度传感芯片SHD10输出的信号经单片机的处理，变换为可用RS 485总线传输的通用信号。此举不仅提高了检测原件的精度，免除了传输过程中由信号衰减产生的误差，另一方面提高了设备的通用性，克服了传感器引线不标准的缺陷，具有更好的经济与实用价值。