圖1 溫濕度測量系統(tǒng)框圖

　　處理器C8051F120
    C8051F120是美國Cygnal公司的一款控制芯片，它使用 Silicon Lab的**CIP-51微控制器內(nèi)核，具有64個數(shù)字I/O引腳、片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器,它使C8051F120器件成為真正能獨立工作的片上系統(tǒng);FLASH存儲器具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件;片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在*終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試，該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令;它能在工業(yè)溫度范圍(-45℃到+85℃)處工作，這些完全滿足在工業(yè)現(xiàn)場使用的要求。
   微處理器部分的設計包含系統(tǒng)硬件的啟動與復位、地址總線、數(shù)據(jù)總線的分配和定義、與外設傳感器的連接等;系統(tǒng)由外部的22M鐘振作為時鐘源向CPU輸入時鐘信號;復位電路由10μF的電容、10K電阻組成低電平復位電路，該復位電路可實現(xiàn)上電低電平自動復位。
      傳感器模塊
     SHTxx系列單芯片傳感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對現(xiàn)場的采集速率而進行調(diào)整，一般情況下默認的測量分辨率分別為14bit(溫度)、12bit(濕度)，如果在高速采集中就可分別降至12bit和8bit，對溫度的量程范圍：-40～123.8℃，濕度的量程范圍：0～100%RH。它操作比較簡單，只需用一組“啟動傳輸”時序，就能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，同時，在測量和通訊結束后，SHTxx會自動轉入休眠模式，這大大的減少了功耗。我們選擇的是SHT75，它的結構框圖如圖2所示。

　　圖2 SHT75結構框圖

　　SHT75與微處理器的連接，是通過C8051F120的兩個I/O口來分別與傳感器SHT10的SCK引腳和DATA引腳相連，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換;VDD與3.3V電壓相連。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平，所以還必須在I/O電路中，DATA引腳上加上一個上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個10kΩ的電阻接至3.3V電壓。

　　網(wǎng)絡通信接口
     在設計中采用網(wǎng)絡接口將溫濕度傳感器接入工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳遞到上位機中，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的設備和上位機的通信。網(wǎng)絡隔離器采用的是HR61H50L，網(wǎng)卡芯片使用的是RTL8019AS。
     RTL8019AS是REALTEK公司的高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡單的解答即插即用NE2000兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。通過三電平控制特性，RTL8019AS是對網(wǎng)絡設備GREENPC理想的選擇。全二重功能能夠模擬傳播和接收在雙絞線到全二重以太網(wǎng)交換機。這個特性不僅使帶寬從10到20MBPS，而且避免了由于以太網(wǎng)頻道爭奪特性導致的讀出多路存取協(xié)議的問題。為了提供完全解決即插即用方案，RTL8019AS集成10BASET收發(fā)器，BNC,和AUI接口之間的自動檢測功能。此外，8條IRQ總線和16條基本地址總線為大資源情況下提供了寬松的環(huán)境。RTL8019AS用16k字節(jié)SRAM設計在單片芯片上，它的設計不僅提供了更友好的功能，而且節(jié)省了SRAM存儲資源。RTL8019AS的地址總線SA[7:0]與數(shù)據(jù)總線SD[7:0]分別與C8051F120的地址/數(shù)據(jù)總線相連。
     電源
    電源采用的是以太網(wǎng)供電設備，該設備采用符合802.3受電設備標準，輸出標準的+24V，經(jīng)過LM2576-5(Motorola生產(chǎn))和AS1117-3.3(ALPHA生產(chǎn))電源芯片，電平轉換后，輸出溫濕度測量系統(tǒng)中的微處理器、存儲器、網(wǎng)卡芯片和傳感器模塊上所需的5V和3.3V電源。
    軟件設計
   主程序結構主要由CPU與SHT75之間的數(shù)據(jù)傳遞和傳感器與上位機的數(shù)據(jù)傳遞并在上位機顯示兩部分組成。在數(shù)據(jù)傳遞部分，首先需要對CPU與SHT75對應I/O口以及相關寄存器的初始化，然后通過CPU發(fā)送命令啟動數(shù)據(jù)的傳輸，之后，傳感器開始進行信號的采集和數(shù)據(jù)的交換，CPU對數(shù)據(jù)進行處理，當進行完一次采集和傳遞后，再通計過通信復位來循環(huán)工作;在上位機顯示部分，只需找一入口地址，把CPU處理好的數(shù)據(jù)傳給上位機，再通過EPA組態(tài)軟件來對數(shù)據(jù)進行客觀的顯示。程序結構如圖3所示。

　　圖3 程序結構

　　在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過程中，主要經(jīng)過的是啟動傳輸、字節(jié)的讀與寫、狀態(tài)寄存器的讀與寫、*終數(shù)據(jù)的讀取和通信的復位幾部分。下面列出溫濕度數(shù)據(jù)的讀取程序的部分代碼：

　　BYTE shtMeasure(BYTE *ptr,BYTE mode)

　　{BYTE error,crc; BYTE i;

　　switch(mode) {

　　case SHT_MODE_TEMP: //讀溫度數(shù)據(jù)

　　do {error = 0;

　　shtTransstart(); //啟動傳輸，傳感器開始工作

　　error += shtWriteByte(SHT_MEASURE_TEMP); //寫字節(jié)函數(shù)，寫一個字節(jié)

　　} while (error);

　　break;

　　case SHT_MODE_HUMI: //讀濕度數(shù)據(jù)

　　do {error = 0;

　　shtTransstart(); //啟動傳輸，傳感器開始工作

　　error += shtWriteByte(SHT_MEASURE_HUMI); //寫字節(jié)函數(shù)，寫一個字節(jié)

　　} while (error);

　　break;

　　default:

　　break;

　　}

　　for (i=0;i<65535;i++) { if (SHT_DATA==0) {

　　break;

　　}

　　}

　　Delay100us(20); //不需要定時器的延時

　　*ptr = shtReadByte(SHT_ACK); //讀字節(jié)函數(shù)，讀一個字節(jié)

　　Delay100us(10);

　　*(ptr+1) = shtReadByte(SHT_ACK);

　　crc = shtReadByte(SHT_NOACK);

　　crc = crc;

　　return error;

　　}

　　溫濕度傳感器在工業(yè)現(xiàn)場中的應用 SHT75溫濕度傳感器的設計與應用

　　圖4它是一個網(wǎng)絡拓撲圖，設備掛在集線器上，集線器在給溫濕度傳感器供電的同時，還對傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行傳遞;集線器通過工業(yè)以太網(wǎng)來與上位機相連，數(shù)據(jù)信息就通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到上位機。通過上位機用戶可以遠程監(jiān)測現(xiàn)場的溫度與濕度。

　　圖4 監(jiān)測拓撲圖

　　在工業(yè)現(xiàn)場，此設備是直接通過工業(yè)以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，通過在重慶重鋼集團的一個月試用結果來看，它的穩(wěn)定性和**度滿足要求。圖5是在重慶鋼鐵集團中板廠監(jiān)測室的監(jiān)測界面。

　　圖5 監(jiān)測曲線圖

　　圖5是一監(jiān)測曲線圖，通過直觀的曲線圖來顯示工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度變化，它具有報警功能，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的具體要求自主設定上限與下限，當溫濕度值超過限制時，就會顯示紅色，并閃爍不定，以示報警。