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1、游轮客房湿度无线采集电路的设计摘要 本文介绍了无线通信技术在湿度采集电路上的应用。在湿度无线采集电路的设计上，本文主要从以下四个模块作出详尽分析，分别是湿度测量模块、无线传输模块、湿度显示模块、超限报警模块。湿度测量模块利用湿敏传感器HS1101和模数转换器芯片ADC0809测量游轮客房湿度，无线传输模块采用短距离无线传输技术（Zigbee技术）向上位机传输数据，湿度显示模块采用LCD显示器显示湿度数据，而简单的声光报警单元作为超限报警模块主要部分。从全文看，本文侧重相关硬件连接和整体仿真调试。 关键词 无线通信；湿度测量；超限报警；联合调试 Design of Humidity Wirele
2、ss Acquisition Circuit in Cruise Room Abstract In this paper, it applies wireless communication technology to the circuit of humidity measurement . In the design of wireless measure circuit , it explains the 4 main modules in detail, including humidity measurement module and wireless communication m
3、odule and humidity display module and transfinite alarm module. Humidity measurement module uses wet sensor named HS1101 and A/D converter called ADC0809 to measure the humidity in cruise room. The humidity data is transported to CPU by the wireless communication technology (Zigbee technology) in wi
4、reless communication module . And the data is showed on the LCD in humidity display module .The sound and light alarm is the main part of the transfinite alarm module . As a whole , the paper emphasis on related hardware connection and joint debugging .Key words Wireless communication; Humidity meas
5、urement ;Transfinite alarm ;Joint debugging 目录0 引言-11 湿度测量模块-1 1.1 湿度传感器简介-1 1.2 湿度传感器频率输出回路-1 1.3 模/数转换器简介-1 1.4 湿度传感器硬件设计-12 无线传输模块-1 2.1 无线传输技术概况-1 2.2 zigbee技术特点及协议框架-1 2.3 硬件设计-1 2.4 3 湿度显示模块-1 3.1 LCD芯片简介-1 3.2 显示模块硬件设计-1 3.3 -14 超限报警模块-1 4.1 报警模块硬件设计-1 4.2 报警模块程序设计-15 联合仿真调试-1结论-1致谢语-1参考文献-10
6、 引言本文主要介绍了无线通信技术在游轮客房湿度采集上的具体运用。不论是湿度采集电路的设计，还是无线传输技术的运用，前人都做了详尽的研究。但是，湿度采集电路主要集中在SHT11芯片上，对HS 1101芯片涉及的相对较少；而针对当前情况，对室内湿度采集的方法主要采用有线方式，结合游轮空间小、线路复杂等特点，无线采集技术运用到船舶上有很大的发展空间。将无线通信技术和湿度采集电路结合运用到船舶上有其创新意义和现实意义。1 湿度测量模块湿度测量模块主要是对游轮客房湿度采集与测量。包括对湿敏传感器HS1101芯片的测湿方法、特点、性能的介绍，对模数转换模块ADC0809芯片的介绍以及测湿综合电路的硬件设计
7、。1.1 湿度传感器简介湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。感湿材料吸附空气中的水蒸气后，元件的阻抗、介质常数发生很大变化，因此利用这一变化过程来测量湿度。9而当然市场对电容式湿度传感器越来越重视，主要源于它的相关性能能满足要求。比如：全互换性，在标准环境下不需校正；长时间饱和下快速脱湿；高可靠性与长时间稳定性；快速反应时间等。14湿敏传感器HS1101相对湿度与电容的关系如图1所示。目前，湿敏电容主要由法国Humirel公司生产。图1 湿敏传感器HS1101相对湿度电容响应曲线1.2湿敏传感器频率输出回路湿敏传感器频率输出回路如图2所示。图2 HS
8、1101频率输出回路如图，测湿电路主要是由555定时芯片和一些阻容元件组成。5HS1101湿敏电容接到555电路的2和6引脚上，引脚7用作电阻R4短路接地。工作原理分析如下:电源通过R2和R4对HS1101湿敏电容进行充电，至电压上升至门限电压0.67VCC，充电时间记做T(充电)；然后HS1101湿敏电容通过R2放电，直到电压下降至0.33VCC，放电时间记做T（放电）；再接着充电、放电并以此循环。14根据其原理可以计算出输出频率，其中主要参数计算公式如下： T(充电)=C*(R2+R4)*ln2 （1） T(放电)=C*R2*ln2 （2） F(输出频率)=1/（T(充电)+T(放电)）=
9、1/（C（R4+2*R2）*ln2） （3） D(占空比)=T（充电）*F=（R4+42）/（R4+2*R2） （4）其中，T表示充放电时间；F表示555电路输出频率；C表示HS1101电容容抗；R2、R4分别表示相应的电阻阻值；D表示输出图像的占空比。为了使循环时间降低50%，与R2相比，R4应该很小，但是不应低于最小值。电阻R3是为了短路保护，555必须为CMOS。555电路的非平衡电阻R1是做内部温度补偿，目的是为了引入温度效应，使它与HS1101的温度效应匹配。R1必须像所有的RC时钟电阻的要求一样，1%的精度，最大的温度效应应小于100ppm。14但是，不同型号的555电路内部的温度
10、补偿有所不同。在25下输出频率与相对湿度的关系如图3所示。图3 HS1101相对湿度与频率的对应关系根据频率与相对湿度的关系，从而可以得出客房的相对湿度的实时数据。1.3 模/数转换器简介基于单片机的工作原理，湿敏传感器电路测量的湿度信号为模拟信号，而模拟信号需要转换成数字信号才能被单片机读入。因此在湿度测量模块中需要添加一块A/D转换芯片，这里采用ADC0809芯片。ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器，其内部结构框图如图4所示。ADC0809的转换时间为100us,输入电压范围为05V，片内有8通道模拟开关，可接入8个模拟量输入。13由于芯片内有输出
11、数据锁存器，输出的数字量可以直接连接到CPU数据总线相连，而无需附加接口电路。10图4 ADC0809内部结构图1.4测湿电路硬件设计结合HS1101频率输出回路和ADC0809的内部结构图，湿度测量模块的整体电路硬件设计也基本完成。ADDA、ADDB、ADDC3个地址控制端直接接地从而选通IN0输入端，从而使HS1101频率输出回路的输出端可以直接与ADC0809的IN0输入端相连。ADC0809的输出端直接与单片机的数据传输口（Pi）相连,电源端和接地端分别接电源和地。控制端介绍如下：START为启动脉冲输入线，由CPU送来正脉冲；EOC为转换结束输出线，高电平表示转换已结束；OE为允许输
12、出线；CLOCK为时钟输入线，可提供时钟脉冲序列；Vref(+)和Vref(-)为参考电压线。7湿度测量模块的硬件连接图如图5所示。图5 湿度测量模块线路连接图其中，在图5中，555电路的输出回路的输出端与ADC0809的IN0端口相连，ADC0809的OE端、ALE端、EOC端、START端、CLOCK端的信号均由单片机给出并控制，标识符为ADDR0、ADDR1、ADDR2、ADDR3。实际仿真和测试中，单片机需要附加另外的晶振电路和复位电路。2 无线传输模块2.1 无线传输技术概况无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。目前广泛使用的无线传输技术有蓝牙
13、、WIFI和Zigbee技术。但是三种技术各有特点。以单片机发送数据作为发送端口，显示器（PC）接收数据作为接收端口，则无线传输结构简图如图6所示。图6 无线传输结构简图2.2 Zigbee技术特点及协议框架Zigbee一词源于蜜蜂间基于Zigzag舞蹈的“无线通信”交流，中文称为紫蜂技术。Zigbee技术是一种面向自动化和无线控制的无线网络方案，它由Zigbee联盟和IEEE802.15.4工作组共同制定的一种通信标准。2 它的主要特点集中在数据传输速率低、低功耗、低成本、网络容量大、时延短、数据安全、工作频段灵活等方面。具体表现为：Zigbee无线设备采用2.4GHz的ISM频段，传输距离
14、为10100m，传输速率为250kb/s，时延30ms，16个信道。Zigbee协议栈由应用层、应用汇聚层（安全层）、网络层、数据链路层和物理层组成，如图7所示。另外该协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。11图7 Zigbee协议栈物理层和数据链路层是基于电气电子工程师协会IEEE802.15.4标准，安全层和网络层则是由Zigbee联盟定义，而应用层可以由用户定义各种类型的业务。安全层把不同的应用映射到Zigbee网络层上，网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。2数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制，物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等
15、工作。11Zigbee网络拓扑结构主要有星型、网络型、混合型，如图8所示。图8 Zigbee网络拓扑结构为了保证数据传输可靠，Zigbee协议采用了ACK确认机制（即发送应答ACK帧确认收到数据）和载波检测多址接入/碰撞避免（CSMA/CA）的介质访问控制机制,以保证通信安全。2.3 硬件设计3 湿度显示模块3.1 LCD芯片简介液晶显示器具有功耗低、体积小、质量轻的特点。液晶显示器不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能。12本文采用以HD44780为控制器的LM016L液晶显示器。LM016L的引脚图如图10所示。图
16、10 LM016L引脚图各引脚功能如图11所示。图11 LM016L引脚功能其中,RS为高电平时，读写数据；RS为低电平时，读写状态。R/W为高电平时，选择读入；R/W为低电平时，选择写出。不论RS、R/W为高电平或者低电平，使能信号端，均为高电平有效。通过对HD44780控制器写入控制指令，HD44780产生显示驱动信号来驱动LM016L。该控制器由两个8为寄存器、指令寄存器、数据寄存器、显示数据、字符发生器等组成。它的控制指令主要有：清除显示、地址归为、输入模式设定、功能设定等指令。123.2 显示模块硬件设计结合单片机和LM016L相关引脚和功能，显示模块的线路连接图，如图12所示。图1
17、2 湿度显示模块线路连接图在图12中，LM016L的RS、E控制端分别和单片机中的P2.0、P2.2对应端口相连。而R/W直接接地表示单片机向LM016L写出数据，供LM016L显示。需要特别注意的是，与显示器相互连接的单片机的输出口需要上拉电阻，以保证能够提供充足的高电平输入电流，提高信号稳定程度，增加其抗外界干扰的能力。4 超限报警模块4.1 报警模块硬件设计报警模块采用简单的声光报警。本文中只需通过单片机来控制是否需要声光报警。因此，报警模块的结构简图如图13所示。图13 报警模块的结构简图其中，声光报警装置由发光二极管（LED）、蜂鸣器、三极管放大电路和一些电阻元件构成。具体的声光报警
18、装置构成图如图14所示。图14 报警装置构成图在图14中，整个系统采用5V直流电压直接供电。LED和蜂鸣器是并联关系，当单片机发送报警指令时，两者同时动作。单片机的某一输出端口通过电阻与NPN型的三极管的基极相连。根据电路图可知，当单片机发出指令“P0.7=1”时，三极管导通，发光二极管、蜂鸣器、电源、地和三极管构成闭合回路，发出声光报警；当单片机发送指令“P0.7=0”时，三极管截止，发光二极管和蜂鸣器都不动作。而正常情况下，声光报警处于不动作的状态，也就是三极管处于截止状态。4.2 报警模块程序设计报警模块的程序设计源于单片机内部的数据比较的结果。湿度超限报警功能可以通过报警函数实现。具体
19、来说，单片机先从湿度测量模块读取湿度数据，而后在单片机内部做简单处理：如果当前读取信号在规定的湿度范围（40%-60%）内，那么单片机不响应声光报警动作；如果当前读取数据超过规定的湿度范围的上限值或者低于规定的湿度范围的下限值，那么单片机相应管脚输出高电平，并通过三极管放大电路驱动蜂鸣器和发光二极管，从而启动声光报警。5 联合仿真调试综合上述湿度测量模块、无线传输模块、湿度显示模块和超限报警模块四大模块，系统的整体电路图可以通过Proteus的模拟仿真调试来检测设计湿度测量电路的有效性。但是由于Proteus中的芯片没有全部涉及到本设计电路所要的芯片，因此在Proteus的模拟仿真中需要用某些
20、芯片代替上述芯片。在湿度测量模块中，555频率输出回路以及ADC0809模数转换电路被湿敏传感器SHT11代替。因为SHT11湿敏传感器不需要外部模拟电子电路，可以直接被微控制器访问，因此不需要以ADC0809为主的模数转换电路。模拟调试中，只需要通过湿敏传感器SHT11上的“+”、“-”来改变需要测量的客房湿度数据，以此模拟客房湿度的实际变化。需要注意的是，与单片机相连的湿敏传感器SHT11的 SCK和DATA端均需外加上拉电阻，以提高其抗干扰能力。在无线传输模块中，整个无线模块直接用虚拟串口代替，下位机用COMPIM代替发送数据，而上位机用VB视图来显示接收的数据。在本次模拟中，通过增加串
21、口COM3、COM4来收发湿度数据。其中，基于数据收发原理，单片机的RXD和TXD端分别于COMPIM的RXD和TXD端相连，COMPOM作为COM3发送端，VB作为COM4接收端，接收数据。串口的结构简图，如图15所示。图15 串口结构简图设计湿度测量电路的模拟仿真图如图16、17所示，图16为下位机湿度测量图，图17为上位机VB界面湿度显示图。图16 下位机湿度测量图图17 上位机VB界面湿度显示图结论本文把整个湿度无线采集电路分为四大模块，并在此基础上做了详细的分析与说明。各个模块的硬、软件设计都能很好的体现电路的各方面的性能。四大模块整合的无线湿度采集电路通过Proteus的仿真调试，
22、基本上满足电路设计相关性能的要求。 致谢语本文得到了王荣杰老师的细心指导，特别是在前期的资料收集、电路设计、写作构思以及后期的论文修改中给予我莫大的帮助。参考文献1石权.基于无线传感器网络的温湿度采集系统的设计C.吉林：吉林大学，2008.2彭力.无线传感器网络原理与应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2014. 5962.3刘迎春，叶湘滨等.传感器原理设计与应用M.长沙：国防科技大学出版社，2004.4沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用M.北京：机械工业出版社，2002.5张萍，黄增双.基于555定时器的数字化测湿方法的研究J.自动化技术与应用，2006,26（09）：106-107.
23、6李光忠.基于单片机的温湿度检测系统的设计C.济南：山东大学，2008.7南建辉，熊鸣，王军茹.MCS-51单片机原理及应用实例M.北京：清华大学出版社，2003.196199.8冉彦中.基于单片机的军需仓库温湿度测控系统研究C.长春：吉林大学，2007.9刘曙光.基于HS1101的湿度传感器及其变送器的设计J.仪器仪表学报，2009，30（6）： 137138.10康华光.电子技术基础数字部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.456457.11夏玮玮，刘云，沈连丰.短距离无线通信技术及其实验M.北京：科学出版社，2014.137138.12李东勋，沈文浩，陈小泉.基于Proteus的液晶模块仿真J.仿真技术，2009，25（5）：211213.13 Hnatek，Eugener. A users handbook of A/D and D/A converters J.New York :Wiley ，1976.14 HUMIREL. Relative Humidity Sensor HS1101/HS1101J.HUMIREL，2002.
