智能温室温湿度检测实验系统电路设计与仿真

刘 德 全(宁夏师范学院，宁夏 固原 756000)



智能温室温湿度检测实验系统电路设计与仿真

刘 德 全
(宁夏师范学院，宁夏 固原 756000)

为了实现温室中的温湿度智能监测，本文设计了一款以PIC18F25K20嵌入式微控制器单片机作为上位机，以AM2302温湿度传感器作为下位机，采用EDA虚拟仿真技术对电路进行了仿真，实现了温湿度值的采集和实时显示；通过图表仿真技术捕捉到AM2302的时序图，分析时序图验证了AM2303传感器的单总线通信协议算法。在实际实验中，该电路实现了温室温湿度实时采集与显示，该电路还具有成本低、功耗小，性能稳定等特点，在实际应用可以用干电池或者太阳能作为电源。

智能温室； 温湿度采集； PIC18F25K20； AM2302

0 引 言

随着现代电子技术的不断发展，农业现代化已经成为世界各国关注的问题。现代化农业技术能够有效提高资源的利用率、改善环境、降低浪费[1]。文献[2]用数字型高精度温湿度传感器SHT10实现了温室温湿度的显示，但SHT10上位机之间通信必需一个SCL同步时钟信号，如果有一同步信号不稳定，很容易导致整个采集系统不稳定；文献[3-4]研究了以DS18B20传感器作为温度采集，以SHT11/DHT21作为湿度传感器，实现了温室的多路温湿度的检测，但该电路采用了两个传感器，增加了设备成本，提高了功耗；文献[5]利用AM2302数字式温湿度传感器实现了火灾系统的温湿度检测；参考文献[6]提出了基于温湿度的多模式温室设备控制策略的设计。

1 系统元器件选择

1.1 温湿度传感器选择

本系统采用AM2302温湿度复合型传感器，该传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，内含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与高性能的8位单片机相连，因此其输出的数字信号已经进行过校准，因此AM2302温湿度传感器具有超快相应、可靠性、稳定性和很强的抗干扰能。其信号以40位串行数据输出，信号传输距离远，可达20 m以上。AM2302体积很小，为4-SIP封装，各引脚功能如表1所示[7-11]。

表1 AM2303引脚功能

1.2 单片机选型

本系统单片机选用高性能8位单片机PIC18F25K20，该款单片机采用了最新的Microchip技术，融合多种先进的纳瓦技术，如电源管理模式、1.8 V至3.6 V工作电压范围及高效的片外设，可实现极佳的功耗控制性能。可通过内置振荡器在3V的工作电压下实现16 MIPS(64 MHz)的速度。因此具有低功耗、低成本和高性能的特征。首先，PIC18F25K20内集成RISC CPU，主要包括内置32KB的Flash ROM(code)、1536B的RAM(data)、256B EPROM、16位指令、8为数据、可编程中断优先级别的中断源、31级软件访问硬件堆栈、8×8单周期硬件乘法器和可支持C语言代码优化；其此PIC18F25K20拥有灵活的振荡器结构，如精密的16 MHz内部振荡器、4个锁相回路(phase lock loop，PLL)等；另外PIC18F25K20还有A-C&E端口、2个CCP(Capture/Compare/PWM)、主同步串行端口(Master Synchronous Serial Port，MSSP)模块和增强型通用同步异步接收发射器等(Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，EUSART)，PIC18F25K20其他特性请参阅文献[12]。

2 仿真电路设计

系统原理图见图1。图中，PIC18F25K20和显示其LM016L组成上位机，实现数据接收和显示，由于是仿真电路，所以PIC18F25K20的最小系统其他电路没有给出。下位机由AM2302传感器组成，实现温室内湿度和温度的实时采集。在原理图中采用英国Labcenter公司EDA软件—Proteus进行电路图设计与仿真[13-15]，在Proteus仿真库中提供了湿度/温度参数可调的AM2302元器件，通过符号可在温度和湿度参数之间进行切换，通过符号实现参数值的增加、减小。

图1 温湿度采集系统原理图

3 软件算法实现

3.1 单总线数据格式

AM2302温湿度传感器与PIC18F25K20单片机之间采用单总线通信方式进行通信，在不通信的情况下，总线(SDA/DATA)应保持高电平，因此在微处理器与总线之间要有上拉电阻，上拉电阻的阻值与总线的长度有关，当总线长度低于30 m时，典型值为5.1 kΩ，大于30 m时根据实际情况调节上拉电阻。当上位机没有发出起始信号时，传感器处于低功耗模式，一旦上位机发出起始/开始信号，传感器进行入高速转换模式，采集当前的湿度、温度值，并转换为数字信号从总线输出，其数据格式为40 bit，且高位在前，具体数据格式如图2所示，各数据功能如表2所示[16-17]。

图2 40位数据格式

在图1中，湿度值为64.9%，温度值为36.1 °C，则输出的湿度值649(64.9×10=649，十进制)，其对应的二进制为0000 0010 1000 1001；输出的温度值为361(36.1×10=361，十进制)，其对应的二进制为0000 0001 0110 1001。由此可以推出8bit校验值为1111 0101(0000 0010+1000 10001+0000 0001+0110 1001)。因此40bit数据为：0000 0010 1000 1001 0000 0001 0110 1001 1111 0101。

表2 40位数据格式说明

3.2 单总线通信协议

上位机与传感器之间的通信要严格采用上述的数据格式，为了保证数据的正确接收，要严格遵循图3所示的通信协议。该1-Wire通信协议完全不同Maxim/Dallas公司的1-Wire协议。

从图3可以看出，当上位机发出开始信号后，即将SDA总线拉至低电平且至少保持1～20 ms，上位机再将总线拉高20～40μs后释放总线。当AM2302检测到起始信号后，从低功耗模数转换为快速转换模式，发出相应信号，即AM2302将总线拉至低电平，低电平信号至少保持在50～80 μs，随后AM2302进入准备发送数据阶段，即将总线电平拉至高平，高电平信号至少保持在50～80 μs。响应信号结束，AM2302以一定的时间间隔(Timer slot)将湿度、温度数字信号值发送给上位机，数字信号电平如果保持时间20～28 μs，认为是“0”电平，如果信号保持在70 μs左右，认为是“1”电平。

(a) AM2320温湿度传感器与上位机通信时序图

(b) AM2320温湿度传感器与上位机通信时间时序图

(c) 输出信号0

3.3 算法流程图

根据上述通信协议，编写相应的算法，具体程序流程图如图4所示。

3.4 电路仿真及AM2302时序捕捉

在Proteus平台绘制原理图，并编写程序，最后软硬件调试，通过改变AM2302的温湿度值，可以看到LCD显示器能够实时显示湿度、温度值，说明设计是成功的，效果图如图1所示。为了验证上述AM2302单总线通信协议，在此测试了其时序图[10-12]，设起始信号(低电平)时间18 ms，等待响应时间30 μs，传感器响应时间50 μs，发送信号时间间隙80 μs，“1”信号持续时间70 μs，“0”信号持续时间25 μs。对生成的时序如图5所示，对图5中的86个脉冲持续时间(注意图5中，开始的信号为高位，令第一个脉冲序号为1，以此类推。)进行测试，测试结果以序号:时宽格式表示。

在第5个脉冲开始，每隔80 μs输出串行数据0000 0010 1000 1001 0000 0001 0110 1001 1111 0101，这个数据与3.1节分析的数据是一致的。说明理论分析与实际是相吻合的，方法是正确、可行的。

4 结 语

通过AM2302通信协议分析，建立了PIC18F25K20单片机与AM2302传感器之间的通讯协议，在Proteus环境进行电路设计与仿真，实现湿度、温度数据实时采集和显示，验证了分析方法的正确性。在实际应用中，改电路性能稳定，能够满足实际需求。

图4 流程图

图5 AM2302传感器测试时序图

[1] 杨大荣.中国智慧农业产业发展策略[J].江苏农业科学,2014(42):1-2.

[2] 黄家露,杨 方,张衍林.基于CC2430的温室无线传感器节点设计与应用[J].华中农业大学学报,2013,32(5): 119-123.

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[4] 魏丽静,杨景发,赵双双.温室环境信息智能无线监控系统的设计[J].农机化研究，2013(11)：159-162.

[5] 许 驰,李新春,张 蕾，等.基于ZigBee的多传感器火灾预警系统[J].西华大学学报(自然科学版),2012,31(6):73-76,80.

[6] 田宏武,申长军,郑文刚.基于温湿度的多模式温室设备控制策略设计[J].农机化研究,2013(9)：120-123.

[7] 广州奥松电子有限公司．数字温湿度传感AM2302[EB /OL]．(2010- 09 -05 )．[2012 - 04- 28].http: / /www.aosong.com

[8] 广州奥松电子有限公司．Digital humidity and temperature AM2302[EB /OL]．http: / /www.aosong.com．

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[11] 李 燕,吴晓飞,高志一，等.基于无线传输的粮食储藏室温湿度监测系统设计[J].科技创业家,2013(8)：56-58.

[12] 美国微芯科技公司.PIC18F25K20 Document[EB /OL]．http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?product=PIC18F25K20.

[13] 刘德全.Proteus 8—电子线路设计与仿真[M].北京:清华大学出版社,2014.

[14] 徐爱军.单片机原理实用教程—基于Proteus虚拟仿真[M].2版.北京:电子工业出版社,2012.

[15] 周景润,张丽娜.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[16] 宋海声,赵学深,刘平和.农业温室温度智能辨别控制[J].计算机工程与应用,2014(21):240-244.

[17] 姜 晟,王卫星,孙道宗，等.能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计[J].农业工程学报,2012(28):153-158.

·名人名言·

知识是一座宝库，而实践则是开启宝库的钥匙。

——托马斯·富勒

Design and Simulation of Intelligent Greenhouse Humidity and Temperature Measurement Experiment System

LIUDe-quan
(Ningxia Normal University， Guyuan 75600， China)

In order to realize intelligent monitoring of the temperature and humidity in the greenhouse, the paper presents a humidity and temperature acquisition system. The system includes a microcontroller which is based on an embedded microcontroller PIC18F25K20 as a host and AM2302 humidity and temperature sensor as a slave. By using the EDA virtual simulation technology to simulate the circuit, and realize the collection of data of temperature and humidity is realized and real-time displayed. The advanced simulation technology is used to capture sequence diagram of AM2302 sensor, and timing diagram analysis is used to verify the AM2303 sensor single and bus communication protocol. The circuit is with low cost, low-power consumption and high stability performance. In real application, it can use dry batteries or solar energy as a power source.

intelligent greenhouse; humidity and temperature acquisition; PIC18F25K20; AM2302

2014-06-12

宁夏师范学院科研基金项目(YB201448)；固原市科技支撑项目；宁夏师范学院2013年“本科质量工程”项目(201312-10)

刘德全(1977-)，男，甘肃白银人，硕士，讲师，主要从事信号与信息处理研究。Tel.:0954-2079617;E-mail:ldqzhh@163.com

TP 23、F 303.2

A

1006-7167(2015)02-0092-04