解决方案

基于紫外线传感器的智能环境检测仪的设计方案

2014-02-27 sensor 1077

基于单片机的环境检测技术已经很成熟,但主要集中在温度,相对湿度的检测领域。针对紫外线指数的检测仅在在天气预报部门、工业控制场合研究较深,民用上具有能检测紫外线指数的功能的设备较少。此装置旨在实现温度、湿度、紫外线指数的检测的同时,结合LCD实时显示及语音播报的功能,提供一个结构简单、易于实现设计思路。

1 工作原理

根据紫外线传感器的光电效应,紫外线传感器产生与太阳光中紫外线强度呈正比的光电流,此电流非常微弱(几nA),故需采用高精度、低温漂运算放大器将光电流放大到合适大小输出给A/D转换器进行模数转换。根据紫外线分级标准,将数字量分为15个级别。温湿度数据采集采用数字温湿度传感器,传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接输出校准数字温度和湿度信号。人机对话部分主要由LCD显示模块、语音播报模块、轻触按键构成。LCD显示模块采用的12864点阵图形液晶显示模块显示相关数据及提示语,语音模块产生音乐和语音提示。

2 系统设计

根据系统的功能要求,在设计中采用单片机来实现,软件功能全面,实现了智能化。检测仪采用通用的硬件电路和精简的程序设计方案,解决了降低控制成本和提高控制可靠性的矛盾。同时为功能的扩展留下空间。

2.1 检测的硬件组成

控制仪主要以单片机为核心进行设计,包括CPU、温湿度传感器、紫外线检测电路、时钟芯片、按键、128*64LCD显示屏、语音播报模块等部分,系统的结构框图如图1所示。

1)紫外线检测电路由I/V转换、放大和A/D转换两部分组成,紫外线传感器采用近紫外波光电传感器,可见光范围不响应,输出电流与紫外指数呈线性关系。此电流须经低温漂运放器OPA237进行放大处理,A/D转换器用常用的ADC0832,为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可达到本系统的要求。

2)数字温湿传感器采用DHT21,原理与常用的DSl8820类似。采用单总线数据模式。

3)时钟电路由DSl302构成,用于实现实时时间和日历的功能。

4)此系统采用的LCD显示模块12864C-1与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

5)语音模块采用8M的SPI-Flash内存;支持加载MP3/WAV/WMA/三种音频格式支持DAC/PWM两种输出方式;可通过专业上位机操作软件,随意组合语音,实现语音播报。

2.2 系统软件设计

系统的软件设计采用模块化的结构。根据系统的控制功能,采用自顶向下的方法进行设计。整个系统软件结构精简,便于设计和调试。系统软件的流程图如图2所示。

3 性能特点与技术指标

检测仪的的紫外线检测部分因为变化电流微弱,易受干扰,故需充分考虑硬件与软件上抗干扰性能,设计中在硬件的布局和软件滤波上解决干扰问题。人机操作界面。在LCD显示和语音提示上做到简单的操作流程,详细的显示界面,体贴的语音提示。

1)温湿度传感器的分辨率:相对湿度0.1%、温度为0.1℃,量程范围:相对湿度0%-100%、温度-20℃-60℃,每隔一分钟检测数据,并刷新显示数据。

2)为保护传感器增强聚光效果,在紫外线传感器上外加一个环氧树脂窗口或石英窗口,在检测紫外线指数时,传感器必须垂直面向太阳光以得到实际值。紫外线传感器输出电流微弱,在硬件电路上加必要抗干扰处理,软件上多次检测求均值的方法得到较准确值。紫外线指数检测范围为0-15,对应气象预报中的1-5级。

3)系统利用DSl302实现了实时时间、日历的功能。

4)利用12564LCD显示模块极大丰富了显示效果,除了显示检测值、时间、日历、提示语之外还可显示图像内容,同时还简化了操作。

5)用语音芯片代替蜂鸣器真正体现了系统的智能性,语音模块内存为8M,提供220个地址存储采样频率8kHz-22kHz的音频,最长播放时间为200S,在程序中通过组合不同地址的音频来实现提示语音的播报。

4 结束语

本系统以紫外线指数的检测为主要创新点,同时也是难点所在。系统在硬件和软件上较好的解决了干扰问题,在普通条件下得到检测值基本与气象预报值符合。温湿度环境条件和操作方式要求不高,故实现的较好。系统的智能化体现在单片机与LCD显示模块和语音播报模块的结合上,LCD的文字与图片的显示效果、语音芯片的音乐和语音的播报功能为使用者提供了一个可视可闻的应用平台,这种综合应用理念也是智能化技术的趋势。

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