基于PIC单片机的温湿度监控系统设计

摘要：研究了短距离无线通信技术在工业数据控制上的一个具体应用，主要介绍了系统的总体设计和软硬件组成，硬件部分选择PIC单片机作为控制核心，控制微功率RF芯片(nRF24E1)完成数据的无线传输，控制ICL7135完成传感器数据的A／D转换，选择LabVIEW软件编写控制界面。实践表明，该系统能实时显示监控曲线和数据存储，可实现对复杂环境的温湿度精确控制。
关键词：无线通信；PIC单片机；LabVIEW；控制界面

0 引言
    随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温湿度控制。因此，对温、湿度和一些基本数据的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。
    PIC单片机(Peripheral Interface Controller)是由美国Microchip公司推出的，由于它的硬件系统设计便捷、指令系统设计精炼、采用精简指令集和哈佛总线结构，拥有速度高、功率低、驱动电流大及控制能力强等优点，能满足用户的各种需要，因此得到广泛的应用。
    本文提出一种采用PIC单片来设计实现的测量和控制系统。首先进行实例内容描述。

1 系统组成
    该系统设计内容分成两大部分：温湿度的测量和控制。
1．1 温湿度测量部分
    温湿度测量部分如图1所示，由传感器、信号调理前端、A／D模数转换部分和无线收发模块组成。

1．2 温湿度控制回馈部分
    控制回馈，就是控制核心MCU根据采集的数据，通过特定的算法判断当前的状态，并输出相应的指令来控制特定的模块以控制温湿度。系统结构框图如图2所示。

2 系统硬件设计
2．1 温湿度传感器的选择
    温湿度传感器大致可以分为模拟温湿度传感器和数字温湿度传感器两类。
    模拟温湿度传感器输出的是信号通常是电流、电压等线性信号，要通过信号前端调理电路和A／D转换电路来实现数字化，才能输入PIC控制核心来运算。这类常用的型号如：热敏电阻、热电偶、ADI公司出品的AD590、美信公司出品的MAX6613等。
    数字化的温湿度传感器在内部集成了传感器、调理电路和A／D转换等电路，可以直接输出数字信号，也可以直接与PIC单片机相连。常用的数字温湿度传感器有达拉斯公司出品的DS18B20，ADI公司出品的ADT75等。
    该系统选用ADI公司出品的AD590，其主要特点如下：
    (1)线性化的电流输出：1μA对应1 K(K为绝对温湿度单位)。
    (2)宽温湿度测量范围：-55～+150℃。
    (3)优异的线性：全温湿度范围内达到±0．3℃。
    (4)宽泛的供电范围：4～30 V。
    (5)低廉的价格。
2．2 PIC单片机硬件
    PIC单片机作为控制核心，其最小系统原理如图3所示。图3中PIC16F877接上供电电压(+5 V和GND)，复位电路及晶振电路，即可正常工作，显得简洁易用。

2．3 A／D转换芯片
    ICL7135是一种四位半的双积分A／D转换器，具有精度高(精度相当于14位二进制数)、价格低廉、抗干扰能力强等优点。该系统利用ICL7135进行串行数据采集。该方式结构简单、编程简洁、占用单片机资源少。通过单片机PIC16F877的定时器T0来计脉冲个数，定时器T0所用的频率为系统晶振频率的1／12。为了使定时器T0的计数脉冲与ICL7135工作所需的脉冲同步，可以将ICL7135的BUSY信号接至PIC16F877的PSP5引脚，此时定时器T0是否工作将受BUSY信号控制。当ICL7135开始工作时，即ICL7135的BUSY信号跳高时，定时器T0才开始工作。

    ICL7135与单片机的接口电路如图4所示。将单片机的ALE端的信号经过D触发器4分频后连接到ICL7135的CLK端。这样，定时器T0所记录的脉冲数是ICL7135测量得到的脉冲数的2倍。将定时器记录的脉冲个数除以2得到测量脉冲个数。再将测量脉冲个数减去10001就得到了A／D转换的结果，这样就得到了被测的模拟量，这些转换的实现全部在软件中完成，因此非常简单。
2．4 无线收发芯片nRF24E1
    nRF24E1是挪威Nordic公司2003年开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发模块。采用QFN封装，将射频发射、接收、GMSK调制、解调、增强型8051内核、9输入12位ADC、125频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中。芯片的内部结构如图5所示。

    主要组成模块有：
    (1)微处理器：增强型8051内核。
    (2)可编程控制的PWM输出。
    (3)SPI接口：nRF24E1的SPI总线中含3条串口线(SDI，SCK和SDO)。
    (4)RTC唤醒定时器、WTD和RC振荡器。
    (5)A／D转换器：nRF24E1 A／D转换器有10位的动态范围。
    (6)无线收发器：nRF2401工作于全球开放的2．4～2．5 GHz频段。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成。
    (7)电源管理：在程序的控制下，nRF24E1可进入POWER DOWN省电模式，此时电流消耗仅为2μA，外部中断和看门狗复位能使系统退出省电模式。
    (8)抗干扰能力：采用nRF24E1芯片很容易引入跳频机制，采用频点躲避方式降低同频干扰的影响。

3 系统软件设计
    软件部分包括初始化、A／D数据采集、阈值判断以及控制输入／输出等几个模块，总体构成如图6所示。

3．1 软件系统
    该系统的PC机端的软件采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW平台，该平台是测控领域优秀软件，被誉为工程师的语言，可以加快产品开发速度。
    LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，摒弃了传统开发工具的复杂性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境，且功能强大。
    由LabVIEW编写的控制界面及框图程序如图7，图8所示。

4 结语
    本文介绍了一个完整的温湿度测量、控制系统的设计方案，包括器件的选择、硬件的设计、软件的设计，以及代码注释。采用了PIC单片机上自带的ADC模块，用户在自行设计时，可以考虑将其换成外部的高精度或高速的ADC器件，从而将精度、速度提高；也可以采用更新、更好的传感器，从而简化后级电路设计，也可以达到提高性能的目的。