詳解紅外通信技術(shù)在溫濕度變送器上的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)用

摘要：本文首先介紹了二進(jìn)制信號(hào)的調(diào)制解調(diào)以及 CMOSens技術(shù)的數(shù)字式溫濕度傳感器 SHT75，然后著重講述了以 PIC系列為微處理器的基于紅外通信技術(shù)的溫濕度一體化變送器的硬件設(shè)計(jì)以及各功能的軟件實(shí)現(xiàn)。最后創(chuàng)造性地把一種強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)—CRC校驗(yàn)法成功應(yīng)用在產(chǎn)品中，并經(jīng)過(guò)計(jì)量證明該產(chǎn)品精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

1. 概述

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天等部門經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視濕度和溫度的檢測(cè)及控制并進(jìn)行了大量的研究工作，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣的情況下，如何實(shí)時(shí)對(duì)溫濕度進(jìn)行準(zhǔn)確有效的測(cè)量，顯得尤為重要。因而，針對(duì)手持式的近距離測(cè)量以及長(zhǎng)距離布線傳送可操作性不高的狀況，本文提出了利用紅外通信技術(shù)，結(jié)合高精度的溫濕度一體化傳感器，設(shè)計(jì)出基于紅外通信的溫濕度一體化變送器。

紅外通信是一種無(wú)線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，已被諸多電子設(shè)備廣泛采用，并越來(lái)越多的應(yīng)用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

紅外通信主要由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收端接收紅外信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形后得到TTL電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并做出相關(guān)處理。

2. 二進(jìn)制信號(hào)的調(diào)制解調(diào)

紅外通信發(fā)射的指令是用二進(jìn)制數(shù)表示的，通常發(fā)射指令時(shí)都用方波載波信號(hào)將這些二進(jìn)制數(shù)調(diào)制成一系列的脈沖串信號(hào)，常用的調(diào)制方法是脈沖寬度（PWM）調(diào)制和脈沖位置（PPM）調(diào)制兩種。

本文采用PWM調(diào)制碼，它的組成為9ms高電平和4ms低電平引導(dǎo)脈沖，16位系統(tǒng)識(shí)別碼，8位數(shù)據(jù)正碼和8位數(shù)據(jù)反碼，我們要提取的就是數(shù)據(jù)碼。一個(gè)PWM碼的“0”是由一個(gè)0.58ms的低電平和一個(gè)0.58ms的高電平組成，“1”是由一個(gè)0.58ms的低電平地和一個(gè)1.58ms的高電平組成。

二進(jìn)制信號(hào)的調(diào)制由紅外發(fā)射電路的單片機(jī)來(lái)完成，它把編碼后的二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制成頻率為38KHz（本文選用HS0038作為紅外接收頭，接收頻率為38kHz）的間斷脈沖串，相當(dāng)于用二進(jìn)制信號(hào)的編碼乘以頻率為38KHz的脈沖信號(hào)得到的間斷脈沖串，即是調(diào)制后用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的信號(hào)。

二進(jìn)制信號(hào)的解調(diào)由一體化紅外接收頭HS0038來(lái)完成，在輸入有脈沖串時(shí)，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平。

二進(jìn)制信號(hào)的解碼由紅外接收電路單片機(jī)來(lái)完成，它把紅外接收頭送來(lái)的二進(jìn)制編碼波形通過(guò)解碼，還原出發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外發(fā)射部分電路框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)PIC16F73及外部電路構(gòu)成。PIC16F73單片機(jī)是由美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，采用Harvard結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使指令執(zhí)行和取指操作可重疊進(jìn)行，從而達(dá)到很高的執(zhí)

行速度［2］。它只有35條單字節(jié)指令，除了跳轉(zhuǎn)

指令是2周期指令外，其它指令都是單周期指令。相對(duì)于其它的8位單片機(jī)節(jié)省了1/2的程序空間，并具有4:1的速度優(yōu)勢(shì)。

圖1中SE303是紅外發(fā)射二極管，當(dāng)PB0 = 1時(shí)，三極管9013導(dǎo)通，SE303通電發(fā)射紅外線，實(shí)際上發(fā)射的是頻率為38KHz的脈沖串；反之，三極管9013截止，SE303截止，不發(fā)射。

圖1中SHT75是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器。它是一種全新的基于智能設(shè)計(jì)理念的傳感器，該傳感器將溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、信號(hào)處理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信接口、數(shù)字校準(zhǔn)全部集成到一個(gè)高集成度、體積極小的芯片當(dāng)中，利用它可以同時(shí)測(cè)量目標(biāo)對(duì)象的溫度和濕度，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字式輸出。

CMOSens技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號(hào)強(qiáng)度的增加，增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)完成，則降低了傳感器對(duì)干擾的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。

紅外接收部分電路框圖如圖2所示，在本系統(tǒng)中我們采用紅外一體化接收頭HS0038，HS0038是黑色環(huán)氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內(nèi)附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高。在用小功率發(fā)射管發(fā)射信號(hào)情況下，其接收距離可達(dá)35m，它能與TTL、COMS電路兼容。HS0038為直立側(cè)面收光型，它接收紅外信號(hào)頻率為38kHz，周期約26μs，同時(shí)能對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形，得到TTL 電平的編碼信號(hào)。三個(gè)管腳分別是地、＋5V電源、解調(diào)信號(hào)輸出端。

PIC16F73經(jīng)過(guò)解碼得到SHT75的溫度和濕度數(shù)據(jù)后，通過(guò)溫濕度處理程序進(jìn)行線性補(bǔ)償?shù)忍幚?，隨后將結(jié)果送LED顯示，同時(shí)也將結(jié)果通過(guò)PWM以及硬件電路，輸出工程上常用的4-20mA或者0-10V。

4．系統(tǒng)各部分功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件用C語(yǔ)言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。分為發(fā)射部分程序和接收部分程序。發(fā)射部分包括主程序、編碼程序、發(fā)射程序等；接受部分包括主程序、解碼程序、溫濕度數(shù)據(jù)處理程序、LED顯示程序、93C46讀寫程序、定時(shí)驅(qū)動(dòng)程序、中斷服務(wù)程序、PWM輸出程序等。

主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，初始化主要完成對(duì)芯片內(nèi)部晶振的設(shè)定，所用芯片管腳的定義，雙向管腳輸入輸出方向的設(shè)定，對(duì)定時(shí)器的初始化，PWM模塊的初始化，中斷的初始化等。 對(duì)芯片管腳的定義要做到資源的合理調(diào)配，比如說(shuō)每個(gè)IO在各個(gè)時(shí)間段用作什么功能要分配好，中斷初始化是因?yàn)樵谥鞒绦蜻\(yùn)行起來(lái)后就要隨時(shí)等待中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各部分功能，中斷初始化主要是定義中斷的觸發(fā)方式、中斷形式、中斷服務(wù)程序等。初始化完成后，系統(tǒng)開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行溫濕度檢測(cè)、編碼、紅外發(fā)射、接收、解碼、轉(zhuǎn)換、計(jì)算等，除此之外還要進(jìn)行PWM輸出等操作。

溫濕度數(shù)據(jù)處理程序主要包括對(duì)溫度值和濕度值的檢測(cè)、計(jì)算、對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性補(bǔ)償?shù)?。SHT75的相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性曲線如圖3所示，由圖3可以看出，濕度輸出特性呈一定的非線性，因而要采用公式（1）進(jìn)行修正，其

中SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，各系數(shù)如

濕度值還與當(dāng)前溫度值相關(guān)，因此還要對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如公式（2）所示，各系數(shù)如表2所示。

除此之外，溫濕度處理程序還具有以下功能：一是設(shè)定溫度濕度測(cè)量的分辨率，默認(rèn)的測(cè)量分辨率分別為14bit（溫度）、12bit（濕度），也可分別降至12bit和8bit，通常在高速或超低功耗的應(yīng)用中采用該功能；二是“電量不足監(jiān)測(cè)功能，該功能可監(jiān)測(cè)到Vdd電壓低于

2.47V（SHT75正常工作電壓范圍是2.4V～5.5V）的狀態(tài)，精度為±0.05V；三是可以通過(guò)程序控制芯片上集成的可通斷加熱元件，接通后可將SHT75的溫度提高大約5℃（9℉），功耗增加8mA@5V，此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能，在高濕（》95%RH）環(huán)境中，加熱傳感器還可以預(yù)防結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。

LED共4位，每位8段，共占用12個(gè)IO通道。LED用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值或濕度值。4位LED中第一位用于區(qū)分溫度值和濕度值，如果該位不顯示或者是一個(gè)負(fù)號(hào)（-）就代表溫度，如果該位顯示（H）就代表濕度。后三位顯示相應(yīng)的數(shù)值，其中最后一位是小數(shù)。

結(jié)合93C46存儲(chǔ)芯片修改溫度和濕度上下限報(bào)警值。在測(cè)量過(guò)程中，如果溫度值或者濕度值達(dá)到報(bào)警值，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音。

5．CRC校驗(yàn)

在現(xiàn)代工業(yè)中，利用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的工業(yè)控制越來(lái)越廣泛。由于傳輸距離、現(xiàn)場(chǎng)狀況等諸多可能出現(xiàn)不確定因素的影響，微控制器與傳感器之間的通訊數(shù)據(jù)常會(huì)發(fā)生難以預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕琒HT75內(nèi)部集成了循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC-cyclic redundancy check）硬件電路。CRC是一種強(qiáng)有力的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)，在傳送信息時(shí)，發(fā)送方根據(jù)所發(fā)送信息的具體內(nèi)容計(jì)算出一個(gè)稱為CRC的值，并連同信息串一起發(fā)送；而接收方則根據(jù)接收到的信息串用同樣的方法生成一個(gè)CRC值，若與收到的CRC值一致，則可以認(rèn)為信息傳送正確。使用CRC雖然不能保證100％檢測(cè)到錯(cuò)誤，但它可以極大地增加發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，而且它只需要極少的硬件消耗就能實(shí)現(xiàn)，所以

CRC被廣泛用作校驗(yàn)手段 ［3］。

SHT75采用的CRC碼（又稱為多項(xiàng)式碼）為

x8 +x5 + x4 ，它能檢測(cè)出下列錯(cuò)誤：所有的雙錯(cuò)、奇數(shù)位錯(cuò)、突發(fā)長(zhǎng)度小于等于8的突發(fā)錯(cuò)、絕大部分突發(fā)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的突發(fā)錯(cuò)。測(cè)量完溫度（或濕度）后，根據(jù)測(cè)量的信息生成一個(gè)CRC值，然后一同發(fā)送到微控制器中去。微控制器根據(jù)接收到的信息按照同樣的方法生成一個(gè)CRC值，若與接收到的CRC值一致，則可以認(rèn)為信息傳送正確；否則要求傳感器重新測(cè)量數(shù)據(jù)然后再按同樣的方式發(fā)送。

SHT75的CRC值生成算法是根據(jù)SHT75的硬件生成電路來(lái)模擬的，硬件生成電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：

CRC算法如下：

（1）將CRC寄存器的值初始化為SHT75狀態(tài)寄存

器的值（0000s3s2 s1s0 ），缺省值為00H；

（2）將每一位數(shù)據(jù)與 bit7比較；

（3）如果該數(shù)據(jù)位與 bit7相同，將CRC寄存器中的值向右移位，令 bit0=‘0’；否則將 CRC寄存器中的值向右移位，然后將bit4和bit5反相，再令bit0=‘1’；

（4）接收新的數(shù)據(jù)位，然后重復(fù)（2）；

（5）SHT75生成的 CRC值必須倒轉(zhuǎn)（bit0=bit7，bit1=bit6，。 . 。 ，bit7=bit0）后才能與最終計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

6. 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

完成開發(fā)調(diào)試工作后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性測(cè)試，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。為了該變送器能更好地應(yīng)用在實(shí)際項(xiàng)目中，還將其送到賽寶計(jì)量檢測(cè)中心進(jìn)行計(jì)量。結(jié)果如表 3所示。

7. 結(jié)語(yǔ)和展望

該溫濕度一體化變送器結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、輸出信號(hào)線性度好、調(diào)試及標(biāo)定方便、產(chǎn)品一致性好，經(jīng)過(guò)了計(jì)量單位的計(jì)量認(rèn)證，并且成功地應(yīng)用在玻璃廠生產(chǎn)線上。基于以上特點(diǎn)，這種基于紅外通信技術(shù)的溫濕度一體化變送器具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

在接下來(lái)的工作中，要不斷完善、改進(jìn)本產(chǎn)品。為了將實(shí)時(shí)采集的各點(diǎn)溫濕度值保存下來(lái)，以便于對(duì)歷史數(shù)據(jù)查閱和繪制出實(shí)時(shí)或歷史溫濕度值變化曲線，計(jì)劃將93C46換成存儲(chǔ)容量更大的FM24C256，該存儲(chǔ)器容量為32Kbyte。另外，為了便于按采集的日期及時(shí)間保存溫濕度值，可以擴(kuò)展實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯

片，可與FM24C256掛在同一條I 2C總線上。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于使用紅外通信技術(shù)結(jié)合基于CMOSens技術(shù)的溫濕度傳感器SHT75，設(shè)計(jì)出新型的能通過(guò)紅外技術(shù)進(jìn)行通信的智能溫濕度一體化變送器。

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