一種高性能便攜式PIC單片機(jī)濕度檢測(cè)儀的研制

摘要：介紹了一種高性能便攜式PIC單片機(jī)濕度檢測(cè)儀的研制，詳細(xì)闡明了有關(guān)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)。本測(cè)試儀充分應(yīng)用ＰＩＣ單片機(jī)自身的軟硬件資源，具有智能化，小型便攜、可編程等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、水文系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： PIC單片機(jī) 濕度測(cè)試儀 土壤含水量

適時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量周圍環(huán)境的濕度和土壤含水量在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的許多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，如在農(nóng)業(yè)上為了科學(xué)地對(duì)土壤進(jìn)行管理，需要經(jīng)常測(cè)試土壤含水量；在水利工程中，如水文站、堤壩上也需經(jīng)常測(cè)試土壤含水量，此外，土壤濕度測(cè)量在環(huán)保、氣象、國防施工中更是不可缺少的測(cè)量項(xiàng)目。如何使這種繁瑣的測(cè)量以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成為人們急需解決的重要課題。

本文介紹一種高性能、便攜式、可編程的由PIC16C74單片機(jī)為主構(gòu)成的濕度測(cè)試儀，詳細(xì)闡明了該儀器的工作原理、基本功能框圖、關(guān)鍵技術(shù)以及相應(yīng)的工作軟件流程。

１儀器基本原理及功能框圖

本儀器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示，芯片選用價(jià)格低廉，性能優(yōu)良的PIC16C74單片機(jī)，充分利用其提供的軟硬件資源，配以相應(yīng)的外圍電路完成土壤含水量檢測(cè)。主要組成部分包括：濕度傳感器，PIC單片機(jī)，外存儲(chǔ)器（Ｅ２ＰＲＯＭ），觸摸式鍵盤，液晶顯示屏（ＬＣＤ），電池電源通斷控制電路，以及向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的通訊接口電路等部分。傳感器選用的是一種專利產(chǎn)品，其作用是直接將探測(cè)頭插入待測(cè)土壤中，將土壤濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)模擬電壓，電壓范圍在０～１．２Ｖ，該模擬電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大到０～５Ｖ范圍內(nèi)的電壓后，送到ＰＩＣ１６Ｃ７４的Ｉ／Ｏ口，單片機(jī)內(nèi)有８?jìng)€(gè)通道的Ａ／Ｄ變換器，選一個(gè)口作為模擬電壓輸入通道，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值，按電壓－含水量公式，經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算，得出實(shí)際的土壤含水量值，送入外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器儲(chǔ)存，以備傳輸和處理之用，同時(shí)送入液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。

本儀器設(shè)定每批數(shù)據(jù)由１６字節(jié)組成，外存儲(chǔ)器容量為６４Ｋ字節(jié)，所以外加存儲(chǔ)器最大存儲(chǔ)容量可達(dá)５１２批。為了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，需要把各測(cè)試點(diǎn)的大量數(shù)據(jù)送往計(jì)算機(jī)，為完成數(shù)據(jù)傳輸，我們選用ＲＳ２３２標(biāo)準(zhǔn)接口方式，器件選用ＭＡＸ２０２作為接口器件，數(shù)據(jù)通過Ｉ／Ｏ接口送入計(jì)算機(jī)，再由它進(jìn)行進(jìn)一步處理，繪出測(cè)試曲線、圖表，然后進(jìn)行分析、打印和存檔。

由于儀器體積小，按鍵選用觸摸開關(guān)，能夠完成電源控制（ＯＮ），測(cè)量（ＭＥＡＳＵＲＥ），前翻頁（ＵＰ），后翻頁（ＤＮ），清除（ＣＬＥＡＲ），認(rèn)可（ＡＣＫ）等功能，可使用戶靈活操作。電源采用９Ｖ標(biāo)準(zhǔn)電池供電，并由專門的電源控制電路控制電源通斷，由ＰＩＣ６４Ｃ７４單片機(jī)監(jiān)測(cè)電池供電情況，電壓在正常工作范圍時(shí)，液晶屏顯示"Ｈ"，低于所定標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，顯示"Ｌ"，表明需要換電池。

由于我們研制的測(cè)試儀采用了高性能單片機(jī)芯片，可利用的軟硬件資源豐富，需要的外圍器件較少，具有很強(qiáng)的功能，并且功耗低，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

２關(guān)鍵器件和關(guān)鍵技術(shù)

２．１ PIC16C74單片機(jī)

本儀器芯片選用美國Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的PIC16C74單片機(jī)，這種芯片是一種低功耗、高性能，價(jià)格適中的ＣＭＯＳ全靜態(tài)８位Ｅ２ＰＲＯＭ單片微型處理器，為４０ＤＩＰ，其中Ｉ／Ｏ口就有３３腳，適于加裝較多外圍器件和設(shè)備。

ＰＩＣ１６Ｃ７４芯片包含１９２字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ＲＡＭ）和４Ｋ字節(jié)程序存儲(chǔ)器（ＲＯＭ）容量，３３個(gè)輸出／輸入口，三個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，三個(gè)捕捉／比較／ＰＷＭ模數(shù)和兩個(gè)串行口，同步串行口可配置成三線ＳＰＩ或二線Ｉ２Ｏ工作方式，串行口可設(shè)置成同步或異步，以及八通道高速Ａ／Ｄ變換器部分。軟件結(jié)構(gòu)上，采用ＲＩＳＣ指令結(jié)構(gòu)，具有８級(jí)堆棧，多個(gè)內(nèi)部和外部中斷位，指令３５條，易于編程。

與其它單片機(jī)（如８０３１芯片）相比，ＰＩＣ１６Ｃ７４具有如下幾個(gè)其它芯片無法比擬的特點(diǎn)：

·內(nèi)部帶有８?jìng)€(gè)Ａ／Ｄ變換通道，僅此一點(diǎn)，在需要進(jìn)行Ａ／Ｄ變換時(shí)，就省去了附加的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換外圍芯片；

·軟件指令僅３５條，利用編程實(shí)現(xiàn)；

·低功耗，高速ＣＭＯＳ ＥＰＲＯＭ技術(shù)，在５Ｖ ４ＭＨｚ時(shí)僅耗電２ｍＡ，在３Ｖ３２ｋＨｚ時(shí)，僅耗電１５ｍＡ；

·更為重要的是，該芯片具有休眠功能，即執(zhí)行Ｓｌｅｅｐ工作方式，此方式下，芯片耗電極小（小于１ｍＡ，當(dāng)需芯片重新工作時(shí)，可通過內(nèi)部或外圍中斷方式喚醒芯片轉(zhuǎn)入正常工作方式；

·具有保密功能。

２．２Ａ／Ｄ變換

PIC16C74單片機(jī)有８路模擬輸入口，共用一個(gè)采樣／保持器，采樣／保持逐次比較，最后把模擬量變成數(shù)字量，對(duì)于本測(cè)試儀來說，輸入是傳感器送來的模擬電壓，其值在０～１．２Ｖ范圍內(nèi)變化，經(jīng)放大后的電壓進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行Ａ／Ｄ變換和運(yùn)算處理，Ａ／Ｄ變換電路如圖２所示。

此外Ａ／Ｄ變換器的模擬參考電壓選用ＲＡ３／ｒｅｆ，引腳電壓為＋５Ｖ，在設(shè)計(jì)這種電路時(shí)，需要進(jìn)行如下工作：

·Ａ／Ｄ變換的精度計(jì)算及誤差

把模擬電壓０～１．２５Ｖ轉(zhuǎn)換成８位二進(jìn)數(shù)碼，其１ＬＳＢ＝１．２５／２５６＝４．９ｍＶ≈５ｍＶ，在ＶＤＤ＝５Ｖ±１０％時(shí)，且Ｖｒｅｆ＝５Ｖ情況下，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的全范圍精度小于１ＬＳＢ，其中包括偏置誤差、滿量程誤差和整數(shù)誤差，并且Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換是單調(diào)的。

由于ＶＤＤ小于５Ｖ或Ｖｒｅｆ小于ＶＤＤ時(shí)，分辨率和精度會(huì)降低，所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)采用如下兩條措施，一是選用ＶＤＤ＝５Ｖ，且Ｖｒｅｆ＝５Ｖ；二是通過運(yùn)算放大器放大，使輸入模擬電壓在０～５Ｖ范圍內(nèi)變化。

·對(duì)輸入模擬信號(hào)量的要求

模擬輸入要進(jìn)行ＥＳＤ保護(hù)，所以在ＶＤＤ和ＶＣＳ之間加有反向偏置二極管以保護(hù)器件不會(huì)被損壞，同時(shí)要求接到模擬輸入腳的外部器件應(yīng)具有極低的漏電流。

·Ａ／Ｄ采樣要求

對(duì)于要達(dá)到特定精度的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，輸入通道電壓需充滿充電保持電容，其公式為：采樣時(shí)間＝放大器穩(wěn)定時(shí)間＋保持電容充電時(shí)間＋溫度系數(shù)，即可得出。

·Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時(shí)鐘選擇

時(shí)鐘選用４ＭＨｚ。

２．３鍵盤控制

ＰＩＣ１６Ｃ７４有五個(gè)Ｉ／Ｏ口ＰＯＲＴＡ～ＰＯＲＴＥ，其中ＰＯＲＴＢ是個(gè)雙向口，Ｂ口的四個(gè)引腳ＲＢ(４～７)，在引腳被設(shè)置成輸入方式時(shí)，這四個(gè)引腳的狀態(tài)變化會(huì)引起中斷。利用Ｂ口的特性，很容易和外部控制鍵盤接口。本儀器中設(shè)計(jì)了一個(gè)２×４的鍵盤，一共有８?jìng)€(gè)控制鍵，鍵盤控制電路如圖３所示。為了對(duì)鍵盤采樣，首先禁止數(shù)字吸入電流，然后用軟件設(shè)置口Ｂ，使ＲＢ４～ＲＢ７為輸入端，ＲＢ２～ＲＢ３為輸出端至高電平。允許ＲＢ４～ＲＢ７的上拉，依次使ＲＢ２～ＲＢ３為低電平，同時(shí)檢測(cè)ＲＢ４至ＲＢ７，看是否有擊鍵（低電平），每次掃描會(huì)發(fā)現(xiàn)有多次擊鍵，一旦檢測(cè)到擊鍵，在重新開始鍵盤采樣之前，經(jīng)過４０ｍｓ的去抖動(dòng)時(shí)間，直至當(dāng)前鍵被釋放之前，不再檢測(cè)別的擊鍵。

２．４液晶顯示

測(cè)試儀顯示選用液晶顯示片ＥＤＭ－１６０１Ａ，它可同時(shí)顯示１６個(gè)ＡＳＣＩＩ碼字符，每個(gè)字符由５×７點(diǎn)陣組成，這種器件內(nèi)部控制電路主要由指令寄存器，數(shù)據(jù)寄存器，地址寄存器，顯示數(shù)據(jù)寄存器，字符發(fā)生和時(shí)序發(fā)生器等組成。本儀器顯示畫面顯示如圖４所示。０號(hào)位顯示電池電壓狀態(tài)，當(dāng)電池電壓＞７．５Ｖ時(shí)，顯示"Ｈ"表示電池電壓正常，當(dāng)電池電壓＜＝７．５Ｖ時(shí)，顯示"Ｌ"，表示電壓過低，需更換電池。１～３號(hào)位數(shù)碼，顯示測(cè)試批數(shù)，本測(cè)試儀最多可測(cè)試５１２批數(shù)據(jù)。４號(hào)位為空格。５～１０位顯示所測(cè)點(diǎn)電壓數(shù)值，以毫伏（ｍＶ）為單位。１１～１５號(hào)位數(shù)碼顯示此測(cè)試點(diǎn)的含水量百分?jǐn)?shù)。

每按一次測(cè)量鍵，則顯示出測(cè)試點(diǎn)的相關(guān)電壓數(shù)值和換算出的含水量值，這些值同時(shí)送入外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來。

２．５串口通訊

為了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地分析，需要將數(shù)據(jù)從測(cè)試儀的外存儲(chǔ)器傳送至計(jì)算機(jī)，ＰＩＣ１６Ｃ７４具有串行通訊接口（ＳＣＩ），ＳＣＩ是為能與ＣＲＴ終端及計(jì)算機(jī)等外設(shè)通訊的全雙工異步系統(tǒng)，本儀器采用ＲＳ－２３２－Ｃ接口方式，傳送波特率為９６００比特。數(shù)據(jù)傳輸格式如圖５所示，在這種方式下，ＳＣＩ采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸零（ＮＲＺ）格式，開始是一位起始位，以邏輯"０"表示，接著是８位數(shù)據(jù)位，最后是一位停止位，以邏輯"１"表示，本儀器不設(shè)奇偶校驗(yàn)位，故一次傳送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為１０比特。接口芯片選用ＭＡＸ２３２，接收端（計(jì)算機(jī)）采用Ｃ語言編輯的接收軟件，顯示接收到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如匯總成數(shù)據(jù)表格，畫出分析曲線以及打印結(jié)果等等，以供工作人員參考。

２．６電源控制

本儀器采用標(biāo)準(zhǔn)９Ｖ干電池供電，為了能保證正常供電，需要對(duì)電源進(jìn)行下面三個(gè)方面的控制。

·電源的通斷控制，按鍵盤ＯＮ鍵，則９Ｖ電壓通過ＭＡＸ６６７（ＭＡＸ公司）輸出，提供儀器所需的５Ｖ電壓；

·電池電壓測(cè)試電路，假定標(biāo)準(zhǔn)９Ｖ干電池在加載情況下低于規(guī)定的某一電壓時(shí)，則儀器不能正常工作，需要更換電池，為達(dá)到此目的，需要對(duì)電池電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；

·自動(dòng)關(guān)機(jī)功能：當(dāng)測(cè)試完成后，如果不對(duì)儀器操作，一分鐘后電源電路自動(dòng)斷開，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)功能。

上述三種控制都由ＭＡＸ６６７器件完成，具體電路如圖６所示。

３檢測(cè)儀的控制軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀采用ＰＩＣ１６ＣＸＸ單片機(jī)匯編語言編程，控制軟件由主控程序、按鍵功能檢測(cè)、測(cè)量及含水量計(jì)算、顯示、清除、前后翻頁顯示、通訊等子程序組成。圖７為控制軟件框圖。

４特點(diǎn)及發(fā)展遠(yuǎn)景

本測(cè)試儀器的基本特點(diǎn)為：

·體積小，１５０×８０×６０ｍｍ３，可以放在口袋中隨身攜帶到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣；

·采集的數(shù)據(jù)量大：由于加了外部Ｅ２ＰＲＯＭ存儲(chǔ)器，可以采樣５１２批或１０２４批數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算并存儲(chǔ)起來；

·通過通訊接口，可以把采集數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如畫出測(cè)試曲線、進(jìn)行分析、打印結(jié)果并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

·由９Ｖ干電池供電，為了減小功耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間，該儀器開關(guān)機(jī)由專門控制電路控制，到一定時(shí)間，自動(dòng)關(guān)機(jī)。在測(cè)量間隙，進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省能量，其他器件盡量采用ＣＭＯＳ的低功耗小電流器件；

·儀器智能化，可編程，由于采用先進(jìn)的單片機(jī)，可以在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行Ａ／Ｄ變換以及各種數(shù)學(xué)計(jì)算，通過軟件編程可以對(duì)數(shù)據(jù)查閱（前后翻頁）、清除外存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)以及向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，這些功能都可以通過儀表盤面的相應(yīng)按鍵選擇。

綜上所述，本測(cè)試儀充分應(yīng)用ＰＩＣ１６Ｃ７４單片機(jī)自身的軟硬件資源，具有智能化，小型便攜，可編程等優(yōu)點(diǎn)，另外本測(cè)試儀只需更換傳感器和修改控制軟件，就可擴(kuò)展到其他環(huán)境參數(shù)的測(cè)試應(yīng)用中，使得本測(cè)試儀在農(nóng)業(yè)、水文系統(tǒng)、環(huán)保、氣象等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

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