室內環境舒適度測試記錄儀的製作方法
2023-09-17 03:25:35
專利名稱：室內環境舒適度測試記錄儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種室內環境舒適度測試記錄裝置，具體地說，是涉及一種測試室內 環境舒適度指標並記錄該指標的記錄儀。
背景技術：
室內環境舒適度測試記錄儀是一種專門為測試、記錄室內氣候環境舒適度指標而 設計的儀器，適用於密閉空間的環境參數監測。目前市場上已有的同類產品以測量室內空 氣溫度、溼度為主，無法較精確地衡量人體舒適程度指標，同時在數據處理能力有所欠缺， 不能進行舒適度指標的換算，也不能方便地將數據傳遞給計算機，利用計算機的強大的運 算功能進行數據分析。同時現有的室內環境舒適度測試記錄儀由於沒有硬體存儲結構，因 此數據讀取後便會消失，日後無從查找。
發明內容
本發明的目的是提供一種室內環境舒適度測試記錄儀，它與現有技術相比，能同 時監測並記錄室內溫度、溼度，可以精確地衡量人體舒適程度指標，並同時具有硬體存儲結 構。本發明的室內環境舒適度測試記錄儀可以選擇使用電池或電源供電，攜帶方便。為達到上述目的，本發明所述的室內環境舒適度測試記錄儀由單片機小系統模 塊，傳感器模塊，LCD顯示模塊，SD卡模塊，按鍵模塊，電源檢測模塊組成。為提高數據兼容 性，在SD卡模塊上建立了簡化的兼容FAT16文件系統，並將SD卡的操作過程分成四個層 次硬體抽象層、SD卡命令層、文件系統層和應用層。其中硬體抽象層包含SPI接口配置、 SD卡狀態檢測、SPI接口通訊函數等。SD卡命令層包含了 SPI模式支持的若干命令，並對 響應處理。文件系統層相對獨立，為應用層提供基本的文件訪問接口函數。單片機小系統模塊以超低功耗16位MSP430F149為主控晶片，該模塊的小電路系 統由32768Hz晶振、4MHz晶振、復位電路、JTAG程序燒寫電路組成。MSP430F149晶片的超 低功耗架構延長了電池的使用壽命，它有0. luA RAM保持電流、0.8uA實時時鐘模式電流， 250uA/MIPS有效方式，16位RISC CPU使新的應用僅需一段代碼即可實現，系統內可編程閃 存允許更改代碼、更新欄位和記錄數據，基於快閃記憶體ROM的MCU，工作電壓為1. 8V至3. 6V，性 能高達60kB和8MIPS (帶有基本時鐘)。IXD顯示模塊採用12864點陣液晶顯示器，傳感器採集到的數據以及操作的指示 都通過液晶顯示器顯示出來。點陣液晶顯示器相對於字符型顯示器，具有靈活性更強的特 點，在顯示範圍內它可以任意顯示用戶所需的內容。液晶顯示器採用液晶晶片驅動，液晶芯 片驅動模塊具有MCU外設連接、串口、片內集成時鐘震蕩器，工作電壓範圍為2. 4-3. 6V，在 操作時功耗典型值為40uA，待機狀態為10uA，功耗很低。該驅動晶片模塊的可工作溫度範 圍為-40到85 °C。本發明中的溫溼度傳感器型號是SHT11。本發明將進一步通過優選的實施例結合附圖加以說明。
圖1是現有儀器的系統原理圖；圖2是溫溼度傳感器引腳圖；圖3是溫溼度傳感器內部結構圖；圖4是微處理器與溫溼度傳感器的連接圖；圖5是數據傳輸啟動時序圖；圖6是溫溼度傳感器溫度測試時序圖；圖7是液晶模塊接口電路圖；圖8是SD卡初始化流程圖。
具體實施例方式下面參照附圖，詳細敘述本發明的具體實施方案。實施例1本實施例的記錄儀是帶有MSP430F149單片機的溫溼度記錄儀，能夠精確地測量 溫溼度，對測量結果進行記錄並實時顯示。如圖1所示，現有系統主要由單片機小系統模塊1，傳感器模塊2，IXD顯示模塊3， SD卡模塊4，按鍵模塊5，電源檢測模塊6組成。如圖2，本發明的溫溼度傳感器採用SMD(LCC)表面貼片封裝技術，接口簡單。GND 信號接地腳7與電源腳10之間的工作電壓範圍是2. 4-5. 5V。對與二線串行數字接口，DATA 8為數據線，SCK 9為時鐘線。NC腳未連接。如圖3，本發明的溫溼度傳感器將溫度感測、溼度感測、信號變換、A/D轉換和加熱 器等功能集成到一個晶片上。該晶片包括一個電容性聚合體溼度敏感元件15和一個用能 隙材料製成的溫度敏感元件16。這兩個敏感元件分別將溼度和溫度轉換成電信號，該電信 號首先進入微弱信號放大器17進行放大；然後進入一個14位的A/D轉換器18 ；最後經過 二線串行數字接口 19輸出數位訊號。溫溼度傳感器在出廠前，都會在恆溼或恆溫環境中 進行校準，校準係數存儲在校準寄存器20中；在測量過程中，校準係數會自動校準來自傳 感器的信號。在高溼(> 95% RH)環境中，加熱傳感器可預防傳感器結露，同時縮短響應 時間，提高精度。加熱後溫溼度傳感器溫度升高、相對溼度降低，較加熱前，測量值會略有差 異。因此，溫溼度傳感器內部還集成了一個加熱元件，加熱元件接通後可以將溫溼度傳感器 的溫度升高5°C左右，同時功耗也會有所增加。如圖4，本發明的微處理器是通過二線串行數字接口與溫溼度傳感器進行通信的。 通信協議與通用的I2C總線協議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O 口模擬該通信 時序。微處理器21對溫溼度傳感器的控制是通過5個5位命令代碼來實現的，00011表示 測量溫度，00101表示測量溼度，00111表示讀內部狀態寄存器，00110表示寫內部狀態寄存 器，11110表示復位命令。復位命令使內部狀態寄存器恢復默認值，在下一次命令前至少等 待11ms，其他命令表示保留。溫溼度傳感器通過二線數據串行接口來訪問，DATA數據線外 接上拉電阻21，時鐘線SCK用於微處理器20和溫溼度傳感器22之間的通信同步。由於接 口包含了完全靜態邏輯，所以對SCK最低頻率沒有要求；當工作電壓高於4. 5V時，SCK頻率最高為10MHz，而當工作電壓低於4. 5V時，SCK最高頻率則為1MHz。如圖5，微處理器和溫溼度傳感器通信採用串行二線接口 SCK和DATA，其中SCK為 時鐘線，DATA為數據線。該二線串行通信協議和I2C協議是不兼容的。在程序開始，微處 理器需要用一組「啟動傳輸」時序表示數據傳輸的啟動。當SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉 為低電平；緊接著SCK變為低電平，隨後又變為高電平；在SCK時鐘為高電平時，DATA再次 翻轉為高電平。如圖6，本發明的室內環境舒適度記錄儀接通電源開關後，主機發出啟動命令，隨 後發出一個8位命令碼，該命令碼包含3個地址位(晶片設定地址為000)和5個命令位； 發送完該命令碼，主機將DATA總線設為輸入狀態等待溫溼度傳感器的響應；溫溼度傳感器 接收到上述地址和命令碼後，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機的ACK ； 在第9個時鐘下降沿之後，從機釋放DATA(恢復高電平)總線；釋放總線後，從機開始測量 當前溼度，測量結束後，再次將DATA總線拉為低電平；主機檢測到DATA總線被拉低後，得知 溼度測量已經結束，給出SCK時鐘信號；從機在第8個時鐘下降沿，先輸出高字節數據；在 第9個時鐘下降沿，主機將DATA總線拉低作為ACK信號。然後釋放總線DATA ；在隨後8個 SCK周期下降沿，從機發出低字節數據；接下來的SCK下降沿，主機再次將DATA總線拉低作 為接收數據的ACK信號；在最後8個SCK下降沿，從機發出CRC校驗數據，如主機不予應答 (NACK)則測量結束。由於微處理器通過二線串行數字接口訪問溫溼度傳感器，而訪問協議是晶片生產 商自定義的，所以需要用通用I/O 口模擬該通信協議，通過對I/O 口寄存器的編程，該處理 器的I/O 口可以根據需要設置成輸入、輸出、高阻等狀態。這為模擬該通信協議提供了條 件。在軟體實現過程中，通過宏定義，可以實現SCK和DATA總線的各種輸入和輸出狀態。為 了模擬該二線串行數字協議，還需要一個延時函數。基於以上宏定義和延時函數，可以方便 地使SCK和DATA總線輸出持續一定時間的高電平或低電平，從而可以模擬圖5所示的溫溼 度傳感器的讀寫協議。在溼度線性補償和溫度補償中，溫溼度傳感器可通過DATA數據總線直接輸出溼 度值。該溼度值稱為「相對溼度」，需要進行線性補償和溫度補償後才能得到較為準確的溼 度值。由於相對溼度數字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補償溼度傳感器的非線性，可 按下式修正溼度值=C1+C2x SORH +C3x)式中RHlin_為經過線性補償後的溼度值，S0EH為相對溼度測量值，Q、C2、C3為線 性補償係數。由於溫度對溼度的影響十分明顯，而實際溫度和測試參考溫度25°C有所不同，所 以對線性補償後的溼度值進行溫度補償很有必要。補償公式如下 RH_ = (T0c -25) (r, +t2-SOm) + RHlinear式中RHteU6為經過線性補償和溫度補償後的溼度值(°C )，T為測試溼度值時的溫 度(°C ), 和t2為溫度補償係數。在溫度值輸出中，由於溫溼度傳感器是採用PTAT能隙材料製成的溫度敏感元件， 因而具有很好的線性輸出。實際溫度值可由下式算得Temperature =d1+d2 X S0T
式中噸和d2為特定係數，屯的取值與溫溼度傳感器工作電壓有關，d2的取值則 與溫溼度傳感器內部A/D轉換器採用的解析度有關。為了使系統更加穩定，本發明的室內環境舒適度記錄儀在數字電源和模擬電源之 間都用瓷珠保護。本發明的兩個晶振頻率分別為32768Hz和4MHz。其中，32768Hz晶振用 於實時時鐘的精確計時和DC0內部時鐘校驗，4MHz晶振用於主系統始終源。復位電路中復 位電容容量為0. OOluF,電阻為100K，上電復位時間大約為100uS。沒有採用更大的復位電 容是因為電容太大對JTAG的通信有影響。參見圖7，IXD顯示模塊採用128*64點陣液晶。傳感器採集到的數據以及操作的 指示都通過液晶展示出來。點陣型液晶顯示模塊相對於字符型顯示模塊具有靈活性更強的 特點。在顯示範圍內點陣型液晶顯示模塊可以任意顯示用戶所需的內容。點陣型液晶顯示 模塊中的液晶驅動晶片是三星公司生產的S6B0724。參見圖8，SD卡格式化後，MBR(主引導記錄)、DBR(D0S引導記錄)、FAT (文件分配 表)中的信息提供了文件操作所需的信息，包括目錄和文件的入口地址。在本發明的應用 中，考慮到單片機資源限制和FLASH擦除頻度均衡的需要，預先建立以日期為文件名的文 本文件，用於存儲當天的記錄。記錄格式為「機號+溫度+報警處理+時間戳」。每條數據 佔用一行，最後記錄附加結束標記。記錄添加後不更新文件大小和修改時間域，避免該域過 度頻繁地擦寫。對於常見的1G容量的SD卡，每個文件分配2. 8M，每天可以記錄數據4萬多 條(每條記錄佔64位元組)。本發明使用的SD卡記錄方法犧牲了一定的空間利用率，但是解 決了單片機運行文件系統和執行速度的矛盾以及反覆擦寫FAT表和根目錄區造成所在扇 區提前老化的問題，提高了系統的整體可靠性。本發明的室內環境舒適度測試記錄儀採用如下方式運行接通電源，操作者通過菜單選擇，可進行實時時鐘的調節，可以選擇是否進行記 錄，可以查詢記錄的溫溼度，測試和查詢結果顯示在128*64液晶屏上。顯示的界面是實時 時間和每隔一分鐘測量的溫溼度值，自動切換的圖畫可以讓界面更加生動。當記錄按鍵按 下後系統將開始記錄溫溼度值(默認時是不記錄狀態)，數據記錄時是先通過數組記錄在 RAM中。在數據量到達256個字節時再寫入SD卡中(因為SD卡的數據擦除是只能塊擦除 的)。當菜單選擇按鍵被按下時進入菜單系統，本菜單系統最多有三級菜單，可方便直觀地 進行功能選擇和信息查詢。數據記錄在SD卡上，SD卡可作為長時間的數據儲存(一條記 錄數據佔64位元組，1G的SD卡最大存儲11650天的數據)，可以通過計算機的讀卡器將數據 上載，與計算機建立數據共享，便於進一步分析與報表生成。本實施例適合於建築物室內、公共運輸工具的空調環境下氣候參數監測。通過對 建築物的門、窗附近等熱量耗散大的地方的監測，評估供熱系統和通風系統的工作性能，進 行建築物外部和內部結構和設施優化，達到中央空調運行時候兼顧節能的要求同時滿足人 體對舒適度的要求。
權利要求
1.一種室內環境舒適度測試記錄儀，包括單片機小系統模塊，傳感器模塊，IXD顯示 模塊，按鍵模塊，電源檢測模塊，其特徵在於該測試儀還包括有SD卡。
2.如權利要求1所述的室內環境舒適度測試記錄儀，其特徵在於所述的室內環境舒適 度測試記錄儀的SD卡工作步驟為(1)接通電源；(2)發送74個時鐘脈衝後卡進入空閒狀態，接受SD模式命令；(3)發送「CMD0」命令，片選信號為0狀態，進入SPI模式；(4)發送命令「CMD55+ACMD41，，；(5)如果命令合法，檢查卡是否就緒，若卡就緒，進入傳輸模式。如果命令不合法，執行 命令「CMD1」，然後進入傳輸模式；(6)若卡沒有就緒，回到步驟4。
3.根據權利要求1或2所述的室內環境舒適度測試記錄儀，其特徵在於，該記錄儀使用 的控制晶片為MSP430F149超低功耗16位主控晶片。
全文摘要
一種基於MSP430F149單片機的室內環境舒適度測試記錄儀，包括單片機小系統模塊，傳感器模塊，LCD顯示模塊，按鍵模塊，電源檢測模塊和SD卡。本發明能夠精確測量溫溼度，記錄並實時顯示。通過菜單選擇，可進行實時時鐘的調節和記錄控制，還可以進行記錄溫溼度的查詢。本發明在記錄按鍵按下後開始記錄溫溼度值，系統先將數據通過數組記錄在RAM中，在數據量到達256個字節時再寫入SD卡中，具有結構簡單、方便省電、能夠長期保存記錄的特點。
文檔編號G01W1/17GK102004268SQ201010268560
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月1日 優先權日2010年9月1日
發明者張凱, 杜興科, 潘豔紅, 王璟, 趙子愷 申請人:杜興科, 潘豔紅, 王璟