CN201828679U - 室内环境舒适度测试记录仪 - Google Patents

Abstract

一种基于MSP430F149单片机的室内环境舒适度测试记录仪，包括单片机小系统模块，传感器模块，LCD显示模块，按键模块，电源检测模块和SD卡。单片机小系统模块分别与传感器模块、LCD显示模块、按键模块、电源检测模块、SD卡模块单独连接。本实用新型能够精确测量温湿度，记录并实时显示。通过菜单选择，可进行实时时钟的调节和记录控制，还可以进行记录温湿度的查询。本实用新型在记录按键按下后开始记录温湿度值，系统先将数据通过数组记录在RAM中，在数据量到达256个字节时再写入SD卡中，具有结构简单、方便省电、能够长期保存记录的特点。

Description

室内环境舒适度测试记录仪 

技术领域：

本发明涉及一种室内环境舒适度测试记录装置，具体地说，是涉及一种测试室内环境舒适度指标并记录该指标的记录仪。 

背景技术：

室内环境舒适度测试记录仪是一种专门为测试、记录室内气候环境舒适度指标而设计的仪器，适用于密闭空间的环境参数监测。目前市场上已有的同类产品以测量室内空气温度、湿度为主，无法较精确地衡量人体舒适程度指标，同时在数据处理能力有所欠缺，不能进行舒适度指标的换算，也不能方便地将数据传递给计算机，利用计算机的强大的运算功能进行数据分析。同时现有的室内环境舒适度测试记录仪由于没有硬件存储结构，因此数据读取后便会消失，日后无从查找。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种室内环境舒适度测试记录仪，它与现有技术相比，能同时监测并记录室内温度、湿度，可以精确地衡量人体舒适程度指标，并同时具有硬件存储结构。本发明的室内环境舒适度测试记录仪可以选择使用电池或电源供电，携带方便。 

为达到上述目的，本发明所述的室内环境舒适度测试记录仪由单片机小系统模块，传感器模块，LCD显示模块，SD卡模块，按键模块，电源检测模块组成。单片机小系统模块分别与传感器模块、LCD显示模块、按键模块、电源检测模块、SD卡模块单独连接。为提高数据兼容性，在SD卡模块上建立了简化的兼容FAT16文件系统，并将SD卡的操作过程分成四个层次：硬件抽象层、SD卡命令层、文件系统层和应用层。其中硬件抽象层包含SPI接口配置、SD卡状态检 测、SPI接口通讯函数等。SD卡命令层包含了SPI模式支持的若干命令，并对响应处理。文件系统层相对独立，为应用层提供基本的文件访问接口函数。 

单片机小系统模块以超低功耗16位MSP430F149为主控芯片，该模块的小电路系统由32768Hz晶振、4MHz晶振、复位电路、JTAG程序烧写电路组成。MSP430F149芯片的超低功耗架构延长了电池的使用寿命，它有0.1uA RAM保持电流、0.8uA实时时钟模式电流，250uA/MIPS有效方式，16位RISC CPU使新的应用仅需一段代码即可实现，系统内可编程闪存允许更改代码、更新字段和记录数据，基于闪存ROM的MCU，工作电压为1.8V至3.6V，性能高达60kB和8MIPS(带有基本时钟)。 

LCD显示模块采用12864点阵液晶显示器，传感器采集到的数据以及操作的指示都通过液晶显示器显示出来。点阵液晶显示器相对于字符型显示器，具有灵活性更强的特点，在显示范围内它可以任意显示用户所需的内容。液晶显示器采用液晶芯片驱动，液晶芯片驱动模块具有MCU外设连接、串口、片内集成时钟震荡器，工作电压范围为2.4-3.6V，在操作时功耗典型值为40uA，待机状态为10uA，功耗很低。该驱动芯片模块的可工作温度范围为-40到85℃。 

本发明中的温湿度传感器型号是SHT11。 

本发明将进一步通过优选的实施例结合附图加以说明。 

附图说明：

图1是现有仪器的系统原理图； 

图2是温湿度传感器引脚图； 

图3是温湿度传感器内部结构图； 

图4是微处理器与温湿度传感器的连接图； 

图5是数据传输启动时序图； 

图6是温湿度传感器温度测试时序图； 

图7是液晶模块接口电路图； 

图8是SD卡初始化流程图。 

具体实施方式：

下面参照附图，详细叙述本发明的具体实施方案。 

实施例1 

本实施例的记录仪是带有MSP430F149单片机的温湿度记录仪，能够精确地测量温湿度，对测量结果进行记录并实时显示。 

如图1所示，现有系统主要由单片机小系统模块1，传感器模块2，LCD显示模块3，SD卡模块4，按键模块5，电源检测模块6组成。单片机小系统模块分别与传感器模块、LCD显示模块、按键模块、电源检测模块、SD卡模块单独连接。 

如图2，本发明的温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装技术，接口简单。GND信号接地脚7与电源脚10之间的工作电压范围是2.4-5.5V。对与二线串行数字接口，DATA 8为数据线，SCK 9为时钟线。NC脚未连接。 

如图3，本发明的温湿度传感器将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件15和一个用能隙材料制成的温度敏感元件16。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器17进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器18；最后经过二线串行数字接口19输出数字信号。温湿度传感器在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器20中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。在高湿(＞95％RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间， 提高精度。加热后温湿度传感器温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。因此，温湿度传感器内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将温湿度传感器的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。 

如图4，本发明的微处理器是通过二线串行数字接口与温湿度传感器进行通信的。通信协议与通用的I²C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。微处理器21对温湿度传感器的控制是通过5个5位命令代码来实现的，00011表示测量温度，00101表示测量湿度，00111表示读内部状态寄存器，00110表示写内部状态寄存器，11110表示复位命令。复位命令使内部状态寄存器恢复默认值，在下一次命令前至少等待11ms，其他命令表示保留。温湿度传感器通过二线数据串行接口来访问，DATA数据线外接上拉电阻21，时钟线SCK用于微处理器20和温湿度传感器22之间的通信同步。由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10MHz，而当工作电压低于4.5V时，SCK最高频率则为1MHz。 

如图5，微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。该二线串行通信协议和I²C协议是不兼容的。在程序开始，微处理器需要用一组“启动传输”时序表示数据传输的启动。当SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。 

如图6，本发明的室内环境舒适度记录仪接通电源开关后，主机发出启动命令，随后发出一个8位命令码，该命令码包含3个地址位(芯片设定地址为000)和5个命令位；发送完该命令码，主机将DATA总线设为输入状态等待温湿度传感器的响应；温湿度传感器接收到上述地址和命令码后，在第8个时钟下降沿，将DATA下拉为低电平作为从机的ACK；在第9个时钟下降沿之后，从机释放 DATA(恢复高电平)总线；释放总线后，从机开始测量当前湿度，测量结束后，再次将DATA总线拉为低电平；主机检测到DATA总线被拉低后，得知湿度测量已经结束，给出SCK时钟信号；从机在第8个时钟下降沿，先输出高字节数据；在第9个时钟下降沿，主机将DATA总线拉低作为ACK信号。然后释放总线DATA；在随后8个SCK周期下降沿，从机发出低字节数据；接下来的SCK下降沿，主机再次将DATA总线拉低作为接收数据的ACK信号；在最后8个SCK下降沿，从机发出CRC校验数据，如主机不予应答(NACK)则测量结束。 

由于微处理器通过二线串行数字接口访问温湿度传感器，而访问协议是芯片生产商自定义的，所以需要用通用I/O口模拟该通信协议，通过对I/O口寄存器的编程，该处理器的I/O口可以根据需要设置成输入、输出、高阻等状态。这为模拟该通信协议提供了条件。在软件实现过程中，通过宏定义，可以实现SCK和DATA总线的各种输入和输出状态。为了模拟该二线串行数字协议，还需要一个延时函数。基于以上宏定义和延时函数，可以方便地使SCK和DATA总线输出持续一定时间的高电平或低电平，从而可以模拟图5所示的温湿度传感器的读写协议。 

在湿度线性补偿和温度补偿中，温湿度传感器可通过DATA数据总线直接输出湿度值。该湿度值称为“相对湿度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按下式修正湿度值： 

${\mathrm{RH}}_{\mathrm{linear}}=C_1+C_2\×{\mathrm{SO}}_{\mathrm{RH}}+C_3\×{\mathrm{SO}}_{\mathrm{RH}}^2(\%\mathrm{RH})$

式中：RH_linear为经过线性补偿后的湿度值，SO_RH为相对湿度测量值，C₁、C₂、C₃为线性补偿系数。 

由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25℃有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下： 

式中：RH_true为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值(℃)，T为测试湿度值时的温度(℃)，t₁和t₂为温度补偿系数。 

在温度值输出中，由于温湿度传感器是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很好的线性输出。实际温度值可由下式算得： 

Temperature＝d₁+d₂×SO_T

式中：d₁和d₂为特定系数，d₁的取值与温湿度传感器工作电压有关，d₂的取值则与温湿度传感器内部A/D转换器采用的分辨率有关。 

为了使系统更加稳定，本发明的室内环境舒适度记录仪在数字电源和模拟电源之间都用瓷珠保护。本发明的两个晶振频率分别为32768Hz和4MHz。其中，32768Hz晶振用于实时时钟的精确计时和DCO内部时钟校验，4MHz晶振用于主系统始终源。复位电路中复位电容容量为0.001uF，电阻为100K，上电复位时间大约为100uS。没有采用更大的复位电容是因为电容太大对JTAG的通信有影响。 

参见图7，LCD显示模块采用128*64点阵液晶。传感器采集到的数据以及操作的指示都通过液晶展示出来。点阵型液晶显示模块相对于字符型显示模块具有灵活性更强的特点。在显示范围内点阵型液晶显示模块可以任意显示用户所需的内容。点阵型液晶显示模块中的液晶驱动芯片是三星公司生产的S6B0724。 

参见图8，SD卡格式化后，MBR(主引导记录)、DBR(DOS引导记录)、FAT(文件分配表)中的信息提供了文件操作所需的信息，包括目录和文件的入口 地址。在本发明的应用中，考虑到单片机资源限制和FLASH擦除频度均衡的需要，预先建立以日期为文件名的文本文件，用于存储当天的记录。记录格式为“机号+温度+报警处理+时间戳”。每条数据占用一行，最后记录附加结束标记。记录添加后不更新文件大小和修改时间域，避免该域过度频繁地擦写。对于常见的1G容量的SD卡，每个文件分配2.8M，每天可以记录数据4万多条(每条记录占64字节)。本发明使用的SD卡记录方法牺牲了一定的空间利用率，但是解决了单片机运行文件系统和执行速度的矛盾以及反复擦写FAT表和根目录区造成所在扇区提前老化的问题，提高了系统的整体可靠性。 

本发明的室内环境舒适度测试记录仪采用如下方式运行： 

接通电源，操作者通过菜单选择，可进行实时时钟的调节，可以选择是否进行记录，可以查询记录的温湿度，测试和查询结果显示在128*64液晶屏上。显示的界面是实时时间和每隔一分钟测量的温湿度值，自动切换的图画可以让界面更加生动。当记录按键按下后系统将开始记录温湿度值(默认时是不记录状态)，数据记录时是先通过数组记录在RAM中。在数据量到达256个字节时再写入SD卡中(因为SD卡的数据擦除是只能块擦除的)。当菜单选择按键被按下时进入菜单系统，本菜单系统最多有三级菜单，可方便直观地进行功能选择和信息查询。数据记录在SD卡上，SD卡可作为长时间的数据储存(一条记录数据占64字节，1G的SD卡最大存储11650天的数据)，可以通过计算机的读卡器将数据上载，与计算机建立数据共享，便于进一步分析与报表生成。 

本实施例适合于建筑物室内、公共交通工具的空调环境下气候参数监测。通过对建筑物的门、窗附近等热量耗散大的地方的监测，评估供热系统和通风系统的工作性能，进行建筑物外部和内部结构和设施优化，达到中央空调运行时候兼顾节能的要求同时满足人体对舒适度的要求。 

Claims (2)

1.一种室内环境舒适度测试记录仪，包括：单片机小系统模块，传感器模块，LCD显示模块，按键模块，电源检测模块，其特征在于该测试仪还包括有SD卡模块；单片机小系统模块分别与传感器模块、LCD显示模块、按键模块、电源检测模块、SD卡模块单独连接。

2.根据权利要求1所述的室内环境舒适度测试记录仪，其特征在于，该记录仪使用的控制芯片为MSP430F149超低功耗16位主控芯片。 

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