基于ARM和SHT11的温湿度检测报警装置设计毕业设计论文 - 图文(5)

2019-03-15 12:12

沈阳工业大学本科生毕业设计(论文)

并从向量表中加载栈指示器和编程计数器(与外部复位时的情况一样)。通过检查看门狗超时标志(WDTOF)可以判断系统复位是否由看门狗引发。WDTOF标志必须由软件清零。

看门狗定时器模块使用2个时钟:PCLK和WDCLK。PCLK供APB访问看门狗寄存器使用。WDCLK供看门狗定时器计数使用。

两个时钟域之间有同步逻辑。当WDMOD和WDTC通过APB操作更新时,新的值将在WDCLK时钟域逻辑的3个时钟周期后生效。当看门狗定时器在WDCLK时钟频率下运行时,同步逻辑会先锁存运行频率为WDCLK的计数器值,然后将计数器与PCLK同步,再作为WDTV寄存器的值供CPU读取。 3.1.8 定时器 1)概述

定时器用来对外设时钟(PCLK)进行计数,而计数器对外部脉冲信号进行计数,可以选择在规定的时间处产生中断或执行其它操作,这都由4个匹配寄存器的值决定[10]。它也包含4个捕获输入,用来在输入信号变化时捕捉定时器的瞬时值,也可以选择产生中断。 2) 基本配置

使用下列寄存器来配置定时器0/1/2/3:

1)功率:在寄存器PCONP中置位PCTIM0/1/2/3。

注:复位后,定时器0/1使能(PCTIM0/1=1),定时器2/3禁能(PCTIM2/3=0)。 2)外设时钟:在寄存器PCLK_SEL0中选择PCLK_TIMER0/1;在寄存器PCLK_SEL1中选择PCLK_TIMER2/3。

3)引脚:通过寄存器PINSEL来选择定时器引脚。通过寄存器PINMODE0来选择定时器引脚的模式。

4)中断:有关匹配和捕获事件的内容请参考寄存器T0/1/2/3MCR和T0/1/2/3/CCR。利用相应的中断置位使能寄存器使能NVIC中的中断。

5)DMA:在最多2种匹配情况下可产生定时的DMA请求。 3)特性

4个定时器/计数器,除了外设基址之外完全相同。4个定时器最少有2个捕获输入和2个匹配输出,并且有多个引脚可以选择。定时器2引出了全部4个匹配输出。

32位的定时器/计数器,带有一个可编程的32位预分频器; 计数器或定时器操作;

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每个定时器包含2个32位的捕获通道,当输入信号变化时捕捉定时器的瞬时值。也可以选择产生中断;

4个32位匹配寄存器,允许执行以下操作:

-匹配时连续工作,在匹配时可选择产生中断; -在匹配时停止定时器运行,可选择产生中断; -在匹配时复位定时器,可选择产生中断;

有4个与匹配寄存器相对应的外部输出,这些输出具有以下功能:

-匹配时设为低电平; -匹配时设为高电平; -匹配时翻转电平; -匹配时不执行任何操作。

3.2 温湿度传感器

不管是我们日常居住生活的房间,还是工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等领域,经常需要对所处环境的温湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。一般情况下,室内室外环境中的温度都在-20—+45℃之间。所以选用智能化的集成温湿度传感器芯片SHT11,足以满足我们的设计要求。

计量法中,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度,用%RH表示。总而言之,湿度即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与相同情况下所含饱和水蒸气(饱和水蒸气压)的百分比。湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器,它将所测环境中的湿度信号转换为便于处理,显示,记录的电(频率)信号。湿度传感器在仓贮,工业生产,过程控制,环境监测,家用电器,气象等方面有着广泛的应用。温度传感器是指检测外界温度的传感器,它将所测环境中的温度信号转换为便于处理,显示,记录的电(频率)信号等,在很多领域都有普遍的应用。

湿度、温度传感器是本设计中核心的器件,其感湿感温特性直接决定了本设计的性能指标。湿度传感器的种类有很多,大致可以分为物性型,结构型,其他形式三大类。物性型包括电解质系,半导体及陶瓷系,聚合物系;结构型包括毛发型,肠膜型;其他形式包括干湿球式,石英振子式,种子法式等等。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接与待测物体接触,来检测被测物体温度的变化,而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离。检测从待测物体放射出的红外线,从而达到测温的目的。在

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接触式和非接触式两大类温度传感器中,相比之下运用较多的是接触式传感器,非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用的接触式温度传感器主要是热电传感器。它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性,对温度和与温度有关的参量进行检测的装置,其中将温度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器,金属热电阻式传感器简称热电阻,半导体热电阻式传感器简称热敏电阻,将温度变化转换为电动势变化的称为热电偶传感器。

近年来,国内外在温湿传感器研发领域取得了长足进步。温湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件,也将湿度温度测量技术提高到新的水平。智能温湿度传感器(亦称数字温湿度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。智能温湿度度传感器是微电子技术、计算机技术和自动化测试技术的结晶,它也是集成温湿度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。智能温湿度度传感器内部都包含温湿度传感器、A/D转换器、存储器(或寄存器)和接口电路。智能温湿传感器芯片具有三个显著特点:第一;能输出温湿度数据及相关的温湿度控制量,适配各种微控制器;第二;能以最简方式构成高性能、多功能的智能化温湿度测控系统;第三;它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多,温度是个独立的被测量,而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。因此本设计选用智能温湿度传感器芯片,实现温湿度测量系统的智能化设计。 3.2.1 温湿测量相关概念

湿度和温度很久以前就与人类生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。湿度计测的历史可以追溯到中国的天秤型(公元前179年),这是最早的湿度计测。温度计测可追溯到记载的希腊时代的温度计。现代科学对温湿度做明确的定义和测量表示方法[12]。

绝对湿度:

单位体积(1m3)的气体中含有水蒸气的质量(g)。

但是,即使水蒸气量相同,由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化,即绝对湿度D发生变化。D为容积基准。

相对湿度:

气体中所含的水蒸气(e)与气体饱和时所含的水蒸气(es)的比,用百分

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比表示。

但是,温度和压力的变化导致饱和水蒸气气压也将随之而变化。通常在工作和生活中我们使用的湿度即为相对湿度。

饱和水蒸气压(Saturation Vapor Pressure)

气体中所含水蒸气的量是有限度的,达到限度的状态即可称之为饱和,此时的水蒸气压即称为饱和水蒸气压。此物理量亦随着温度,压力的变化而变化,并且,0℃以下即使同一湿度,与水共存的饱和水蒸气压(esw)和与冰共存的饱和水蒸气压(esi)的值不同,通常所采用的是与水共存的饱和水蒸气压。各温度对应的饱和水蒸气压表在JIS-Z-8806卷中有记载。

露点:

温度较高的气体其所含水蒸气也较多,将此气体冷却后,其所含水蒸气的量即使不发生变化,但相对湿度也会增加。当达到一定温度、相对湿度达到100%饱和,此时,继续进行冷却的话,其中一部分的水蒸气将凝聚成露。此时的温度即为露点温度。露点在0℃以下结冰时即为霜点。 3.2.2 温湿度传感器的选择

湿度传感器的精度应达到±2%—±5%Rh,达不到这个水平很难作为计量器具使用,湿度传感器要达到±2%—±3%Rh的精度是比较困难的,通常产品资料中给出的特性是在常温(10℃—20℃)和洁净的气体中测量的。在实际使用中,由于尘土、油污及有害气体的影响,温湿度传感器使用时间一长,容易产生老化,精度下降。所以选择温湿度传感器就要考虑温湿度传感器的精度、长期稳定性,以及互换性。

湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断。一般说来,长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题。温湿度传感器在使用过程中,由于受到环境的影响都会产生年漂移。一般情况下年漂移量控制在1%Rh水平的产品很少,一般都在±2%Rh左右,甚至更高。

目前,湿度传感器普遍存在着互换性差的现象,同一型号的传感器不能互换,严重影响了使用效果,给维修、调试增加了困难,有些厂家在这方面作出了种种努力,(但互换性仍很差)取得的效果并不明显。

然而温湿度传感器的选择是本设计的核心问题。传统的模拟式的温湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过负复杂的校准和标定过程,因此测量精度难以保证,且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。目前国际上新型传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化和网络化的方向发展。

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鉴于上述原因,本系统采用SHT11芯片测量温湿度值。SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术完美的结合起来,从而发挥出它们强大的优势互补作用。

SHT11是一款新型的数字式温湿度传感器芯片。SHT11的外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。出厂前,每只传感器都在温室中做过精密标准测试。标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量工程中可以对相对湿度进行自动校准。它不仅能准确测量相对湿度,还能测量湿度和露点。测量相对的范围是0—100%,分辨率0.3%Rh。测量温度的范围-40℃—+123.8℃,分辨率为0.1℃。测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率,减小芯片的功耗。该芯片广泛应用于冷暖空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。采用SHT11进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点;另外SHT11芯片内部集成了12、14位A/D转换器,且采用数字信号输出,因此抗干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用。SHT11的主要特性如下:

●将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片(COMensTM技术);

●可给出全校准相对湿度及温度值输出; ●带有工业标准的I2C总线数字输出接口; ●具有露点值计算输出功能; ●具有卓越的长期稳定性;

●是只读输出分辨率为14位,温度值输出分辨率为12位; ●小体积(7.65×5.08×23.5mm),可表面贴装; ●具有可靠的CRC数据传输校验功能; ●片内装载的校准系数可保证100%互换性; ●电源电压范围为2.4—5.5V;

●电流消耗,测量时为550μA,休眠时为3μA; 3.2.3 SHT11的工作原理

SHT11的DATA引脚在SCK时钟的下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿后有效,所以,单片机可以在SCK高电平时读出数据,而当其向SHT11发送数据时,则必须保证DATA上的电平状态在SCK高电平段稳定。在需要输出高电平时,单片机将置为高阻状态,由外部的上拉电阻将信号拉至高电平,从

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