1. 概述
在工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門經常需要對環境溫度和濕度進行測量。隨著科學技術的發展，人們越來越重視濕度和溫度的檢測及控制并進行了大量的研究工作，尤其是在現場環境惡劣的情況下，如何實時對溫濕度進行準確有效的測量，顯得尤為重要。因而，針對手持式的近距離測量以及長距離布線傳送可操作性不高的狀況，本文提出了利用紅外通信技術，結合高精度的溫濕度一體化傳感器，設計出基于紅外通信的溫濕度一體化變送器。
紅外通信是一種無線、非接觸控制技術，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實現等顯著優點，已被諸多電子設備廣泛采用，并越來越多的應用到計算機系統中。
紅外通信主要由發送和接收兩個部分組成。發送端采用單片機將待發送的二進制信號編碼調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發射管發射紅外信號。紅外接收端接收紅外信號，同時對信號進行放大、檢波、整形后得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經單片機解碼并做出相關處理。
2. 二進制信號的調制解調
紅外通信發射的指令是用二進制數表示的，通常發射指令時都用方波載波信號將這些二進制數調制成一系列的脈沖串信號，常用的調制方法是脈沖寬度（PWM）調制和脈沖位置（PPM）調制兩種。
本文采用PWM調制碼，它的組成為9ms高電平和4ms低電平引導脈沖，16位系統識別碼，8位數據正碼和8位數據反碼，我們要提取的就是數據碼。一個PWM碼的“0”是由一個0.58ms的低電平和一個0.58ms的高電平組成，“1”是由一個0.58ms的低電平地和一個1.58ms的高電平組成。
二進制信號的調制由紅外發射電路的單片機來完成，它把編碼后的二進制信號調制成頻率為38KHz（本文選用HS0038作為紅外接收頭，接收頻率為38kHz）的間斷脈沖串，相當于用二進制信號的編碼乘以頻率為38KHz的脈沖信號得到的間斷脈沖串，即是調制后用于紅外發射二極管發送的信號。
二進制信號的解調由一體化紅外接收頭HS0038來完成，在輸入有脈沖串時，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平。
二進制信號的解碼由紅外接收電路單片機來完成，它把紅外接收頭送來的二進制編碼波形通過解碼，還原出發送端發送的數據。
3．系統硬件設計
紅外發射部分電路框圖如圖1所示，主要由單片機PIC16F73及外部電路構成。PIC16F73單片機是由美國Microchip公司生產的8位單片機，采用Harvard結構，這種結構使指令執行和取指操作可重疊進行，從而達到很高的執行速度。它只有35條單字節指令，除了跳轉指令是2周期指令外，其它指令都是單周期指令。相對于其它的8位單片機節省了1/2的程序空間，并具有4:1的速度優勢。
圖1 紅外發射電路
圖1中SE303是紅外發射二極管，當PB0 = 1時，三極管9013導通，SE303通電發射紅外線，實際上發射的是頻率為38KHz的脈沖串；反之，三極管9013截止，SE303截止，不發射。
圖1中SHT75是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術的新型溫濕度傳感器。它是一種全新的基于智能設計理念的傳感器，該傳感器將溫度檢測、濕度檢測、信號處理、數字變換、串行數字通信接口、數字校準全部集成到一個高集成度、體積極小的芯片當中，利用它可以同時測量目標對象的溫度和濕度，并實現數字式輸出。
CMOSens技術不僅將溫濕度傳感器結合在一起，而且還將信號放大器、模/數轉換器、校準數據存儲器等電路全部集成在一個芯片內。由于將傳感器與電路部分結合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加，增強了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩定性，而A/D轉換的同時完成，則降低了傳感器對干擾的敏感程度。其次在傳感器芯片內裝載的校準數據保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。
圖2 紅外接收電路
紅外接收部分電路框圖如圖2所示，在本系統中我們采用紅外一體化接收頭HS0038，HS0038是黑色環氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高。在用小功率發射管發射信號情況下，其接收距離可達35m，它能與TTL、COMS電路兼容。HS0038為直立側面收光型，它接收紅外信號頻率為38kHz，周期約26μs，同時能對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL 電平的編碼信號。三個管腳分別是地、＋5V電源、解調信號輸出端。
PIC16F73經過解碼得到SHT75的溫度和濕度數據后，通過溫濕度處理程序進行線性補償等處理，隨后將結果送LED顯示，同時也將結果通過PWM以及硬件電路，輸出工程上常用的4-20mA或者0-10V。
4．系統各部分功能的實現
系統軟件用C語言編寫，采用模塊化設計方法。分為發射部分程序和接收部分程序。發射部分包括主程序、編碼程序、發射程序等；接受部分包括主程序、解碼程序、溫濕度數據處理程序、LED顯示程序、93C46讀寫程序、定時驅動程序、中斷服務程序、PWM輸出程序等。
主程序是控制和管理的核心。系統上電后首先進行系統初始化操作，初始化主要完成對芯片內部晶振的設定，所用芯片管腳的定義，雙向管腳輸入輸出方向的設定，對定時器的初始化，PWM模塊的初始化，中斷的初始化等。對芯片管腳的定義要做到資源的合理調配，比如說每個IO在各個時間段用作什么功能要分配好，中斷初始化是因為在主程序運行起來后就要隨時等待中斷信號，實現系統的各部分功能，中斷初始化主要是定義中斷的觸發方式、中斷形式、中斷服務程序等。初始化完成后，系統開始正常運轉，進行溫濕度檢測、編碼、紅外發射、接收、解碼、轉換、計算等，除此之外還要進行PWM輸出等操作。
溫濕度數據處理程序主要包括對溫度值和濕度值的檢測、計算、對結果進行線性補償等。SHT75的相對濕度數字輸出特性曲線如圖3所示，由圖3可以看出，濕度輸出特性呈一定的非線性，因而要采用公式(1)進行修正，其中SORH 為傳感器相對濕度測量值，各系數如表1所示。
表1 線性補償系數
圖3 濕度輸出特性
濕度值還與當前溫度值相關，因此還要對其進行溫度補償，補償公式如公式(2)所示，各系數如表2所示。
表2 溫度補償系數
除此之外，溫濕度處理程序還具有以下功能：一是設定溫度濕度測量的分辨率，默認的測量分辨率分別為14bit(溫度)、12bit(濕度)，也可分別降至12bit和8bit，通常在高速或超低功耗的應用中采用該功能；二是“電量不足監測功能，該功能可監測到Vdd電壓低于2.47V(SHT75正常工作電壓范圍是2.4V～5.5V)的狀態，精度為±0.05V；三是可以通過程序控制芯片上集成的可通斷加熱元件，接通后可將SHT75的溫度提高大約5℃(9℉)，功耗增加8mA@5V，此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗證兩個傳感器元件的性能，在高濕(>95%RH)環境中，加熱傳感器還可以預防結露，同時縮短響應時間，提高精度。
LED共4位，每位8段，共占用12個IO通道。LED用于實時顯示當前溫度值或濕度值。4位LED中第一位用于區分溫度值和濕度值，如果該位不顯示或者是一個負號(-)就代表溫度，如果該位顯示(H)就代表濕度。后三位顯示相應的數值，其中最后一位是小數。
結合93C46存儲芯片修改溫度和濕度上下限報警值。在測量過程中，如果溫度值或者濕度值達到報警值，蜂鳴器就會發出聲音。
5．CRC校驗
在現代工業中，利用微控制器進行數據通訊的工業控制越來越廣泛。由于傳輸距離、現場狀況等諸多可能出現不確定因素的影響，微控制器與傳感器之間的通訊數據常會發生難以預測的錯誤。為了保證數據傳輸的可靠性，SHT75內部集成了循環冗余校驗(CRC-cyclicredundancy check)硬件電路。CRC是一種強有力的錯誤檢測技術，在傳送信息時，發送方根據所發送信息的具體內容計算出一個稱為CRC的值，并連同信息串一起發送；而接收方則根據接收到的信息串用同樣的方法生成一個CRC值，若與收到的CRC值一致，則可以認為信息傳送正確。使用CRC雖然不能保證100％檢測到錯誤，但它可以極大地增加發現錯誤的機會，而且它只需要極少的硬件消耗就能實現，所以CRC被廣泛用作校驗手段。
SHT75采用的CRC碼(又稱為多項式碼)為
，它能檢測出下列錯誤：所有的雙錯、奇數位錯、突發長度小于等于8的突發錯、絕大部分突發長度較長的突發錯。測量完溫度(或濕度)后，根據測量的信息生成一個CRC值，然后一同發送到微控制器中去。微控制器根據接收到的信息按照同樣的方法生成一個CRC值，若與接收到的CRC值一致，則可以認為信息傳送正確；否則要求傳感器重新測量數據然后再按同樣的方式發送。
SHT75的CRC值生成算法是根據SHT75的硬件生成電路來模擬的，硬件生成電路結構如圖4所示：
圖4CRC值硬件生成電路
CRC算法如下:
(1)將CRC寄存器的值初始化為SHT75狀態寄存器的值(0000 3 2 1 0 s s s s )，缺省值為00H；
(2)將每一位數據與bit7比較；
(3)如果該數據位與bit7相同，將CRC寄存器中的值向右移位，令bit0=‘0’；否則將CRC寄存器中的值向右移位，然后將bit4和bit5反相，再令bit0=‘1’；
(4)接收新的數據位，然后重復(2)；
(5)SHT75生成的CRC值必須倒轉(bit0=bit7，bit1=bit6，. . . ，bit7=bit0)后才能與最終計算結果對比。
6. 實驗及結果
完成開發調試工作后，對產品進行了長時間的穩定性測試，對存在的問題進行了改進。為了該變送器能更好地應用在實際項目中，還將其送到賽寶計量檢測中心進行計量。結果如表3 所示。
7. 結語和展望
該溫濕度一體化變送器結構緊湊、性能穩定、測量精度高、輸出信號線性度好、調試及標定方便、產品一致性好，經過了計量單位的計量認證，并且成功地應用在玻璃廠生產線上。基于以上特點，這種基于紅外通信技術的溫濕度一體化變送器具有非常廣泛的應用前景。
在接下來的工作中，要不斷完善、改進本產品。為了將實時采集的各點溫濕度值保存下來，以便于對歷史數據查閱和繪制出實時或歷史溫濕度值變化曲線，計劃將93C46換成存儲容量更大的FM24C256，該存儲器容量為32Kbyte。另外，為了便于按采集的日期及時間保存溫濕度值，可以擴展實時日歷時鐘芯片，可與FM24C256掛在同一條I 2 C總線上。