公车车温湿度检测装置研究.docx
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公车车温湿度检测装置研究
滨江学院
毕业论文（设计）
题目公交车温湿度检测装置研究
院系滨江学院
专业自动化
学生姓名孔维斌
学号***********
指导教师张凯
职称教授
二Ｏ一三年六月一日
公交车温湿度检测装置研究
孔维斌
南京信息工程大学滨江学院自动化专业，南京210044
摘 要:
经济的发展带来人们生活的改变,民众日益增长的服务质量要求对公交的运营和发展提出了新的挑战。
方便、快捷、舒适的出行方式成了人们的首选，提高公交车服务质量将是提高公交流量的有效途径。
研究公交车舒适度可以促进公交环境的改善，可以为公交服务质量的提高提供科学指导。
因此，研究公交车舒适度具有积极的意义。
影响公交车舒适度的因素有很多，如公交车拥挤度、温湿度、噪声、振动以及纵向加速度等。
本文主要针对公交车内的温湿度因素进行研究,系统采用单总线传感器网络和RS485传输网络的设计思想。
其中温度、湿度传感器都以智能终端的形式挂接到单总线上，多条单总线汇总到一起，由一台数据采集器集中控制，每台数据采集器负责一定区域内的温湿度监测。
数据采集器的核心部件为单片机，主要完成对其所连接传感器件的测量与控制以及与主机的通信等功能。
设计中的RS232/RS458转换器用来实现RS485总线网络与主机RS232串口通信的相互转换。
系统中为主机与各采集器之间的数据通信制定了完备的通信协议，采用主机调度工作形式，CRC技术校验数据，以保证通信的可靠性。
关键词:
公交车;温湿度;传感器；单片机
1绪论
1.1研究背景
随着我国改革开放的深入和经济建设的持续快速发展，城市规模不断扩大，人口的集中以及私家车的盛行，城市的交通拥堵问题成了维护城市良好形象必须解决的重要问题之一，现在公交车已经成为人们不可缺少的交通工具。
同时公交车成为重要的城市基础设施，是城市交通的主要承载体。
随着社会经济的发展和人们生活质量的提高，人们对公交车提出不同的要求。
公交车作为城市交通的一个重要环节，就需要不断地改进提高技术含量同时改善自身的舒适度以满足现在社会人们快节奏的生活。
温湿度已成为衡量公交车舒适度的重要指标之一
1.2研究公交车温湿度的意义
温度对人体产生的生理反应就是热舒适感觉。
根据公交车一年四季运行的特点，冬、夏两季的气温对公交车的热舒适影响非常大。
在严寒的冬季，公交车内气温调节到高于室外气温并符合人体舒适气温时，乘客能明显感觉到公交车内的环境舒适；而在炎热的夏天，若公交车内没有空调，车内就会显得十分闷热，从而给乘客带来不舒适的感觉。
经研究验证，温度对人体的热舒适范围为：
冬天温度为18~25℃，相对湿度30~80%，夏季温度23~28℃，相对湿度30~60%（风速控制在0.1~0.7米/秒）。
在装有空调的室内，温度为19~24℃，相对湿度40~50%最舒适。
当环境温度超过舒适温度的上限时，人们便感到热，若超过37℃时就感到酷热，一般人们能够忍受的温度上限是52℃。
相反，当环境温度低于舒适温度下限时，人就感到凉、冷；若低于0℃，就感到严寒。
对于一般从事户外活动衣着合适的人，能够忍受的温度下限约为零下34℃。
如果考虑温度对人思维活动的影响，最适宜的温度是18℃，相对湿度40~90%，在这种室内小气候的环境下，人的精神状态好，工作效率也高。
舒适度还与室内外温度差有关，当室内温度比室外温度低10℃时，人的身体就感到不舒服，易患
感冒。
一般要求室内外温差不应大于7℃。
公交车环境温度对乘客舒适感觉的对应关系如下表:
表1标准有效温度对乘客舒适感觉的影响（乘客着便装、静坐）
以上只是从温度的高低讨论人体的冷、热，这还不够全面。
其实，所谓冷、热，是人们的一种感觉，它与实际气温不完全是一回事。
感觉温度除与气温有关外，还与风速和湿度等有关。
例如冬季南方的阴雨天，人们感到透心的冷;而在北方刮大风时，就感到刺骨的寒。
在夏季台风或暴雨到来之前，由于气温高于体温，气温对人体起加热的作用，人只能靠出汗耗热来维持体温平衡，如果这时空气湿度大，汗又不易挥发，人体就会感到闷热异常。
如果这时清风徐来，加快了人体热量的散发，人体马上就感到凉快。
这都说明谈论冷、热时不能忽略风和湿度的作用。
低温低湿，加速机体散热，人感到寒冷，血管收缩，空气干燥，口唇不适等。
低气温时，空气湿度增高则由于水分的作用而增加了人体的散热和衣服的导热，冷感提高。
相对湿度过高，冬季容易产生结露现象，且细菌容易繁殖。
湿度过低还会降低空气的新湿感。
风和湿度在感觉温度中的作用在于：
一是可以增强人体的对流换热，二是可以加快空气蒸发，从而也影响着排汗的散热效率。
这两者的影响又由于气温高于皮肤温度或低于皮肤温度而有所不同。
当气温高于皮肤温度时，风的作用一方面是对流换热而加热于人体，另一方面却增强了蒸发，从而提高了散热效率。
如夏季当有热风吹来时，由于汗水蒸发快，人体虽感到干热但并不闷热。
反之，在冬季气温低于皮肤温度时，风的作用使对流换热快，散热效率也高，所以在气温相同的情况下，有风时人体会感到更冷。
湿度对人体的影响，主要是它决定着排汗的散热效率。
在舒适温度的范围内，湿度的影响还不太明显，但在高温时，随着温度和湿度的增高则愈加明显。
这是因为湿度大时，皮肤完全是潮湿的，此时，蒸发率及由之而产生的散热量仅取决于空气的蒸发能力。
现在公交车的温湿度一般是利用空调进行控制的，而空调的调节是通过手动。
空调只有等到司机进入驾驶室才能开启或关闭，这就使得在炎热的夏天或寒冷的冬天，由于乘客在车内的活动及其上下车可能会影响车内的温湿度，使乘客会感觉到异常的不舒适，因此设计和制造出能监控车内温湿度并根据检测到的温湿度情况来进行控制开启车内空调系统的设备的装置具有重大意义。
1.3温湿度监测研究状况
最早的也是最简单的实现对温度、湿度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去其原有的意义。
后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度与湿度传感器代替原始的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的监测系统，并佐以接口芯片将结果显示在LED数码显示管上，单片机可直接控制打印监测数据。
这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。
但其中所采用的温度、湿度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过A/D转换芯片才能被单片机接收。
每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。
近年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据监测数字化、网络化的实现成为可能。
其中美国达拉斯半导体公司推出了1-Wire（单总线）接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。
该公司所提供的适用于单总线微网技术的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。
同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。
2系统总体设计
2.1系统功能设计
系统要完成的设计功能如下：
1、完成对公交车内温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度：
根据公交车内温度、湿度的实际分布情况，由多路温度、湿度传感器对关键点处温度湿度进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据采集，实现公交车内温湿度的智能、多空间点、有效的测量。
2、现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。
3、通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。
与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。
要求达到的技术指标：
测温范围：
-20℃~100℃
测温精度：
±0.5℃
测湿范围：
0~100%RH
测湿精度：
±2.5%RH
2.2系统组成与工作原理
以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。
该系统可分为温度测量电路和显示电路，见图2.1。
选用的主要器件有：
温度传感器DS18B20，湿度传感器HS1101，单片机AT89S51，A/D转换器ADC0809，4数码管显示模块，集成定时器555芯片等。
图2-1硬件结构图
本系统是以单片机Atme189S51为核心的，数据采集、显示都要通过单片机。
通过单片机与智能温度传感器DS18B20及湿度传感器HS1101完成数据采集；数据接收可以由数码管实时显示；
在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器DS18B20的单总线技术，单片机和计算机连接的RS232协议技术等。
在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和C语言混合编程。
3传感器设计
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
3.1温度传感器
温度是表征物体冷热程度的状态量，是现代科学技术中最基本、最重要的物理量。
与温度变化有关的物质属性很多，因而温度检测的方法也是多种多样的。
在长期实践中，一些经常用到的较为精确方便的测温原理与方法可以归纳为三类：
一是利用物体的电参数如电势、电阻等随温度而变化的特性来检测温度，如常用的热电偶、热电阻等；二是利用物体受热膨胀的原理来检测温度，如水银温度计、压力式温度计等；三是利用物体表面热辐射强度与温度的关系来检测温度，如辐射温度计、光学高温计等。
常用的温度传感器有热电阻、热电偶、PN结温度传感器、集成温度传感器等。
3.1.1温度传感器的选择
公交车内温度的变化范围一般为0~40℃，温度的变化速度较慢，因而不需要传感器的反应速度太高；但要求传感器有优良的物理及化学稳定性。
用的较多的是以铂电阻为代表的模拟传感器和以DS18B20为代表的数字传感器。
考虑到铂电阻需要信号调理电路，将电阻信
号转换为电压信号，经过A/D转换后才能被单片机接受，信号调理电路的相对复杂，抗干扰性比较差，而且价格较高，而DS18B20不仅价格便宜，而且使用方便测温准确，精度较高。
为了节省成本，提高效率，方便测量系统以后的进一步扩展和完善，本系统采用DS18B20单总线数字式温度传感器。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字式温度计芯片，它具有结构简单，不需外接元件，采用一根I/0数据线既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点。
能在现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出。
并且多个DS18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。
由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。
DS18B20是DS1820的改进型产品，该产品具有比DS1820更好的性能，目前，该产品已成为DS1820的替代品而在温控系统中得到广泛的应用。
与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性:
（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。
（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。
（4）温范围-55℃~125℃，固有测温分辨率0.5℃
（5）测量结果以9位数字量方式串行传送
DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SO封装，管脚排列如图3.2所示：
图3.1DS18B20传感器
图3.2DS18B20的封装和引脚
对图3.2中DS18B20的引脚功能说明如下：
NC：
空引脚，不连接外部信号。
VDD：
接电源引脚，电源供电3.0~5.5V。
GND：
接地。
DQ：
数据的输入和输出引脚。
DQ引脚的I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。
3.1.21-wire技术
单线总线，即1-wire技术是DS18B20的一个特点。
该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点，有着无可比拟的应用前景。
单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。
主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。
当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。
顾名思义,单总线即只有一根数据线,系统中的数据交换、控制都由这根线完成。
设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线,以允许设备在不发送数据时能够释放总线,而让其它设备使用总线,其内部等效电路如图3-3所示。
单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻,这样,当总线闲置时,其状态为高电平。
主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成,分别为初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。
由于它们是主从结构,只有主机呼叫从机时,从机才能应答,因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列,即初始化、ROM、命令功能命令。
如果出现序列混乱,1-wire器件将不响应主机（搜索ROM命令,报警搜索命令除外）。
图3.3内部等效电路
3.1.3DS18B20测温原理
DS18B20内部结构如图3-4所示，主要包括寄生电源、温度灵敏元件、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。
图3.4DS1820的内部框图
DS18B20测温原理如图3-5所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3.5DS18B20的测温原理图
3.1.4温度检测电路
温度检测电路原理图如图3-6所示，采用外部电源供电方式，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。
在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。
图3.6温度检测电路原理图
3.1.5温度检测软件设计
3.1.5.1DS18B20的初始化
（1）先将数据线置高电平“1”。
（2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）
（3）数据线拉到低电平“0”。
（4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。
（5）数据线拉到高电平“1”。
（6）延时等待（如果初始化成功则在15到60微妙时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。
据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。
（7）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。
（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
图3.7DS18B20初始化时序图
3.1.5.2DS18B20的写操作
（1）数据线先置低电平“0”。
（2）延时确定的时间为15微秒。
（3）按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。
（4）延时时间为45微秒。
（5）将数据线拉到高电平。
（6）重复上
（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。
（7）最后将数据线拉高。
图3.8DS18B20的写操作时序图
3.1.5.3DS18B20的读操作
（1）将数据线拉高“1”。
（2）延时2微秒。
（3）将数据线拉低“0”。
（4）延时3微秒。
（5）将数据线拉高“1”。
（6）延时5微秒。
（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。
（8）延时60微秒。
图3.9DS18B20的读操作图
3.2湿度传感器
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
3.2.1湿度传感器HS1101
湿度传感器选用HS1101.HS1101是法国Humirel公司推出的一款电容式相对湿度传感器。
HS1101湿度传感器是基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值旱线性规律。
在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，从而能进行有效地数据采集。
HS1101湿度传感器具有以下几个显著特点：
1、全互换性，在标准环境下不需校正
2、长时间饱和下快速脱湿
3、可以自动化焊接，包括波峰或水浸
4、高可靠性与长时间稳定性
5、专利的固态聚合物结构
6、可用于线性电压或频率输出回路
7、快速反应时间
HS1101的简单物照图如图3-10：
图3.10HS1101实照图
相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于
2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。
可见其精度是较高的。
其湿度-电容响应曲线如图3-11：
20406080
相对湿度%
图3.11HS1101湿度-电容响应曲线
HS1101的一些常用参数如表3.1：
表3.1HS1101常用参数
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40～100
℃
储存温度
Tstg
-40～125
℃
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0～100
%RH
焊接时间@=260℃
t
10
S
3.2.2湿度测量电路设计
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:
一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。
NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。
在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。
其工作电压范围为：
4.5V
16V。
NE555的框图如图3-12所示。
图3.12NE555框图
把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图3.13所示。
NE555电路功能的简单概括为:
当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。
在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。
当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则定时器3脚输出为“1”；又由于C1两端电压为0,故
通过R2和R3对C1充电,当C1两端电压达到2
/3时,定时电路翻转,输出变为“0”。
此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容C1通过R3和内部放电BJT进行放电,当C1两端电压降低到
/3时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT截止,VCC又开始通过R2和R3对C1充电,如此周而复始,形成振荡。
其工作循环中的充电时间为
=0.7（R2+R3）C1；放电时间为
=0.7R3*C1；输出脉冲占空比为q＝（R2+R3）/（R2+2R3）,为了使输出脉冲占空比接近50％,R2应远远小于R3。
当外界湿度变化时,HS1101两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。
因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度。
由于采用了性能优良的HS1101电容式湿度传感器及其振荡测量电路，获得了频率信号与湿度值的近似线性关系，通过软件的分段线性与查表计算等数据处理，可以校准补偿频率、漂移以及元器件的误差，因而所构成的湿度测量仪具有结构简单、成本低、测量精度高、响应时间快、性能稳定的优点。
其主要技术指标如下：
（1）测量范围：
0~100%RH；
（2）测量精度：
±2.5%；
（3）报警设定：
0~100%RH；
（4）输出接点容量：
220VAC，1A。
图3.13测湿电路图
ADC0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字量。
其主要性能有：
逐次比较型；CMOS工艺制造；单电源供电；无需外部进行零点和满量度调整；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；易与各种微控制器接口；具有锁存控制的8路模拟开关；分辨率为8位；功耗为15mW；转换时间（
）为128
；转换精度为
。
ADC0809的引脚图如图3-14所示。
图3.14ADC0809引脚图
NE555的输出端跟ADC0809的IN0通道相接，则ADC0809芯片的地址选通为ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。
ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。
ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。
8051通过地址线P2.0和读写控制线
、
来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。
测湿电路与单片机的连接图如图3-15所示。
图3.15测湿电路与单片机的连接
4单片机设计
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电
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