基于MAX5102的電流型溫濕度智能傳感器

湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 王華 彭楚武 蘇深廣

引言
溫濕度的測(cè)量在氣象、倉(cāng)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，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。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（以表示），然后與兩次采樣允許的差值（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)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]. MAX5102 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX5102_1058861.html.
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[4]. AD694 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AD694_249157.html.
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[6]. MAXIM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[7]. TSSOP datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TSSOP_1539100.html.
[8]. TTL datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[9]. BCD datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/BCD_1225719.html.