戶外LED顯示屏參數(shù)監(jiān)控板設(shè)計(jì)

　　LED顯示屏其以容易控制、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。但除一些室內(nèi)應(yīng)用之外，LED大屏幕多應(yīng)用于廣場、火車站、商業(yè)街等，因受溫度、濕度、煙霧、下雨、塵埃等因素影響會(huì)導(dǎo)致LED快速老化，出現(xiàn)故障和壽命縮短。如出現(xiàn)問題才去修理，會(huì)造成高成本維修或者不可修復(fù)性損傷。

　　監(jiān)控板可以實(shí)時(shí)檢測LED顯示屏所處環(huán)境的溫度、相對濕度，是否有煙霧等信息，并將測得參數(shù)信息上傳至控制計(jì)算機(jī)，監(jiān)控軟件會(huì)將這些信息顯示在界面上。這就使得各個(gè)燈箱的工作情況和環(huán)境參數(shù)呈現(xiàn)出來，便于監(jiān)測和管理。

　　選取STC的一款單片機(jī)作為核心處理器件，該單片機(jī)帶有8路的A/D通道，因?yàn)樗獪y量的都是模擬量，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能處理。測量溫度可用熱敏電阻或者DS18B20,DS18B20數(shù)字式的溫度傳感器，精度高?？紤]到DS18B20的操作較為復(fù)雜，占用單片機(jī)較大的程序空間，而監(jiān)控板要求的溫度精度并不高，所以采用熱敏電阻作為溫度傳感器件。常用的相對濕度傳感器有濕敏電阻和濕敏電容等方式。用濕敏電容和555定時(shí)器組合的方式，程序上容易實(shí)現(xiàn)且相對穩(wěn)定。煙霧傳感器有光電式和離子式兩種，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，離子式的煙霧傳感器價(jià)格略高，但處理程序較簡單，占用的程序空間較小，所以采用離子式煙霧傳感器。

　　1、系統(tǒng)框圖

　　自身帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)可以作為處理器，再配合溫度傳感器、濕度傳感器和煙霧傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對這3種環(huán)境參數(shù)的采集和測量。

圖1　系統(tǒng)框圖

　　2、溫度采集模塊

　　考慮到實(shí)際境況中對溫度測量的精度要求不是很高而且要控制成本，選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器。圖2反映的是該熱敏電阻值與溫度的對應(yīng)關(guān)系。

　　實(shí)際電路中，采用熱敏電阻和高精度電阻分壓的方法，將它們的連接端接入單片機(jī)帶A/D功能的引腳。該單片機(jī)有8路10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)100kHz。因此可以省略A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，將硬件電路功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，R44的阻值就發(fā)生變化，經(jīng)過分壓后，輸出TEM_TEST電壓信號(hào)變化，單片機(jī)A/D采樣值隨之發(fā)生變化。將圖轉(zhuǎn)換成一張表格存儲(chǔ)在單片機(jī)的代碼段里，按照得到的A/D采樣值查表，用差值的方法就可以得到當(dāng)前的溫度值。

圖2　實(shí)際的熱敏電阻溫度特性

　　3、相對濕度采集模塊

　　濕度傳感器選用濕敏電容，其容值隨濕度的變化而變化。如圖3所示。

圖3　濕度響應(yīng)曲線

　　濕度傳感電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4　濕度傳感電路

　　濕敏電容和TLC555配合使用可以完成相對濕度的測量。TLC555具有定時(shí)精度高，工作速度和可靠性高，電源電壓范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。它內(nèi)部由R-S觸發(fā)器、比較器、輸出級(jí)、分壓器、放電電子開關(guān)幾部分組成。如圖4所示，C8為濕度傳感器，它和R24,R36,R38,TLC555組成了非穩(wěn)態(tài)的間接反饋多諧振蕩器，將相對濕度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。輸出頻率范圍是7351～6033Hz,所對應(yīng)的相對濕度為0～100%。

　　TLC555充、放電時(shí)間分別為：

　　輸出波形的頻率f和占空比D的計(jì)算公式如下：

　　通常取R36nR24,使得D≈50%,輸出接近于方波。

　　當(dāng)相對濕度變化時(shí)，濕敏電容的容值隨之發(fā)生變化，進(jìn)而TLC555輸出波形的頻率發(fā)生變化，單片機(jī)根據(jù)得到的頻率再通過插值法得到當(dāng)前的相對濕度值。輸出方波頻率與相對濕度的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　輸出方波頻率與相對濕度的數(shù)據(jù)對照表

　　4、煙霧信息采集模塊

　　煙霧采集模塊采用的MC14468煙霧檢測器和NIS-09C煙霧傳感器，分別如圖5和圖6所示。

圖5 MC14468引腳圖

圖6 NIS-09C外形圖

　　煙霧檢測器MC14468是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的離子感煙探測報(bào)警專用芯片，為大規(guī)模CMOS電路構(gòu)造。它只需外接一個(gè)離子源和用于安裝離子源的離子室及少量的外部元件，即完成煙霧探測和報(bào)警功能。當(dāng)探測到煙霧時(shí)，它能通過外接的壓電式換能器和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出報(bào)警聲。

　　NIS-09C煙霧離子室。它是日本Nemoto公司專為檢測煙霧設(shè)計(jì)的新型傳感器。離子源是镅241,其放射強(qiáng)度低至018Ci（即018微居里），不會(huì)對人體造成傷害，也不會(huì)污染環(huán)境，離子源裝在離子室的頂部。

　　煙霧傳感電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7　煙霧傳感電路設(shè)計(jì)

　　如果檢測到煙霧，時(shí)鐘周期T0就變成40ms,同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路，使之打開160ms,再關(guān)斷80ms。在關(guān)斷期間若沒有檢測到煙霧，就禁止BZ發(fā)出報(bào)警聲。一旦檢測到煙霧，LED就以1Hz的頻率閃爍發(fā)光，表示煙霧報(bào)警，1腳由低電平變?yōu)楦唠娖健?/P>

　　5、系統(tǒng)調(diào)試

　　串口助手接收區(qū)的“8180”是用補(bǔ)碼表示的溫度值，實(shí)際是24℃。“BC”表示相對濕度值60%,“BC”后的“81”表示煙霧報(bào)警，若為“80”則不報(bào)警。

　　這是中間截取的數(shù)據(jù)，實(shí)際這些數(shù)據(jù)要送給控制計(jì)算機(jī)，借助專用軟件顯示會(huì)更直觀。

圖8串口助手調(diào)試界面

　　該系統(tǒng)檢測溫度的精度是1℃，相對濕度的精度是1%。經(jīng)實(shí)際測量得到溫度值誤差最大為1℃。相對濕度的誤差較大，最大為5%,該誤差與濕敏電容器件之間的差異性有很大關(guān)系，若要得到誤差小的相對濕度，則需要校正程序。

　　6、結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控板能夠得到LED各個(gè)燈箱的溫度、相對濕度和煙霧信息，工作穩(wěn)定且可靠性高，適用于那些對溫度和相對濕度精度要求不是特別高而且對成本敏感的場合。