引言

為了有效地開展現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基礎(chǔ)研究，揭示混凝土結(jié)構(gòu)生命全過程的損傷演變規(guī)律，從根本上改善混凝土工程的耐久性，保證其應(yīng)有的使用壽命，對混凝土使用環(huán)境進(jìn)行溫濕度檢測顯得尤為重要。

通常使用熱敏電阻和濕敏電容來分別測量溫度和濕度，A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機(jī)，但這種測量方法一般都要設(shè)計相應(yīng)的信號調(diào)理電路，還要經(jīng)過復(fù)雜的標(biāo)定過程，其測量精度很難保證。這種測量溫濕度的系統(tǒng)在測量點(diǎn)數(shù)較少，而且精度要求不高的場合還可以勝任，而需要多點(diǎn)測量且精度要求較高時，其缺點(diǎn)就顯露無疑了。而且，當(dāng)涉及到兩個參數(shù)的監(jiān)測時，每一個測量點(diǎn)都必須使用兩個獨(dú)立的傳感器和獨(dú)立的信號調(diào)理電路，這不僅使得測量系統(tǒng)的成本和體積大為提高，也在一定程度上增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。本文將采用SHT11芯片，實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)化的設(shè)計方案。

SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采用CMOSens（Ce-mo-Sens）專利技術(shù)（CMOS和傳感器技術(shù)的融合）制造，它的特點(diǎn)為：全量程標(biāo)定，二線數(shù)字輸出;濕度測量范圍為0~100%RH，溫度測量范圍為-40℃~+123.8℃，濕度測量精度為±3.0% RH，溫度測量精度為±0.4℃，響應(yīng)時間《4s;低功耗 （ 30mW），可完全浸沒。其外形尺寸僅為7.5mm×5mm×2.5mm，體積與大火柴頭相近。芯片能輸出經(jīng)過完全校準(zhǔn)的相對濕度和溫度數(shù)字信號，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括：相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位ADC、校準(zhǔn)存儲器E2PROM、RAM、CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)碼）寄存器、二線制串行接口和低壓監(jiān)測電路等。

圖1 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該芯片的DATA引腳在SCK時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿之后有效，所以，微控制器可以在SCK高電平時讀出數(shù)據(jù)，而當(dāng)其向SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時，則必須保證DATA上的電平狀態(tài)在SCK高電平段穩(wěn)定。在需要輸出高電平時，微控制器將置為高阻態(tài)，由外部的上拉電阻將信號拉至高電平，從而實(shí)現(xiàn)高電平輸出。

工作原理

首先由兩個傳感器分別產(chǎn)生相對濕度和溫度信號，經(jīng)過放大后分別送到14位的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)和糾錯，最后通過二線制的串行接口，將相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)送至微控制器，再利用微控制器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

溫濕度測量系統(tǒng)

硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)以PIC16F73單片機(jī)作為微控制器。PIC16F73為8位28引腳微處理器，具有4KB的FLASH程序存儲器;22條雙向可編程I/O口線;192字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器;3個定時器;5路8位A/D通道。

該系統(tǒng)由測量、顯示和通信三部分組成。由于PIC16F73具備I2C總線接口，所以不需要進(jìn)行虛擬。分別在DATA端接入1個4.7KW的上拉電阻，在VDD和GND端接入一個0.1mF的去耦電容。硬件連線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

SHT11采用二線制的數(shù)據(jù)傳輸方式，為節(jié)省有限的I/O口資源，采用如下連接方式：將每個SHT11的SCK線都接到微控制器的同一個I/O口線上，而DATA線則分別掛接到不同I/O端口。同時，這樣的接線方式還有一個優(yōu)點(diǎn)：由于多個SHT11共用一條SCK線，因此，在每次測量中可以同時發(fā)出測量指令，這樣，各個傳感器同時進(jìn)行測量，只需一次等待時間就可以完成整體數(shù)據(jù)的采集。縮短了數(shù)據(jù)的采集時間，從而為控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)提供了條件。

顯示部分電路采用帶有高速串行接口的4位LED控制驅(qū)動器ZLG7219實(shí)現(xiàn)，接口采用同步串行外設(shè)接口SPI，編程簡單而且節(jié)省I/O口。溫度和濕度顯示各用4位，通過改變連接電源與ISET端口的電阻值，可以調(diào)節(jié)數(shù)碼管的顯示亮度。

與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信部分采用接口芯片MAX232實(shí)現(xiàn)的RS-232的通信方式。

為提高系統(tǒng)的可靠性，由MAX813LEUA組成看門狗電路，以防止程序跑飛而使系統(tǒng)失控。如果在1.6s內(nèi)PIC16F73不給WDI輸入端發(fā)送觸發(fā)信號，說明程序跑飛，MAX813LEUA將發(fā)出復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位重新進(jìn)行。

溫濕度測量系統(tǒng)軟件的設(shè)計

在單片機(jī)內(nèi)部寫有數(shù)據(jù)的采集和顯示等程序，能使當(dāng)前的溫濕度值實(shí)時顯示在現(xiàn)場，另外，該溫濕度值通過RS-232總線接口送至PC，運(yùn)行VB程序使溫濕度值在監(jiān)控界面上顯示。單片機(jī)軟件的流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

為實(shí)現(xiàn)溫濕度測量，使用VB編寫了上位機(jī)顯示畫面，能實(shí)時顯示出當(dāng)前現(xiàn)場每個點(diǎn)位的溫濕度值，下面是對溫濕度進(jìn)行轉(zhuǎn)化的部分程序：

Select Case

MSComm1.CommEvent

Case comEvReceive

Label11.Visible = True

Label12.Visible = True

buffer = MSComm1.Input

arr = buffer

For i = 1 To 11

w_1（i） = arr（i - 1）

Text1.Text = Text1.Text +

“ ” + w_1（i）

Next i

Humidity = Str$（（Val（w_1（4）） * 256 + Val（w_1（5））） / 100）

Temperature = Str$（（（Val（w_1（6）） * 256 + Val（w_1（7））） - 27315） / 100）

Label2.Caption = Humidity

Label10.Caption = Temperature

End Select

圖4是對其中的一個點(diǎn)進(jìn)行采集的畫面，在圖中有串口號、波特率、檢驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位等設(shè)置，被測量點(diǎn)的當(dāng)前溫濕度一目了然。

圖4 溫濕度顯示界面

這里顯示的只是一個點(diǎn)，當(dāng)然，也可以把所要顯示的多個點(diǎn)一起顯示，也可以切換到每一個點(diǎn)的歷史溫濕度值曲線，只要在程序上做一些修改就可以了。

結(jié)語

本文采用PIC16F73單片機(jī)和SHT11溫濕度傳感器及相關(guān)外圍芯片構(gòu)成了高性能溫濕度采集系統(tǒng)，并使用VB實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)現(xiàn)場和上位機(jī)的實(shí)時通信，從而很方便地知曉現(xiàn)場每個點(diǎn)位的溫濕度狀況，為混凝土結(jié)構(gòu)的使用提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

責(zé)任編輯：gt