ch06SPI與溫濕度檢測機(jī)器人的制作

SPI與溫濕度檢測機(jī)器人的制作新工科建設(shè)之路·機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用系列應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)機(jī)器人制作與開發(fā)(單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用)(第2版)第六章01溫濕度傳感器與溫濕度測量在庫房存放物品時(shí)，常需要將庫房內(nèi)的溫濕度控制在一定的范圍內(nèi)。例如，糧倉內(nèi)溫濕度不合適會導(dǎo)致糧食霉變；檔案室內(nèi)溫濕度不合適會導(dǎo)致字跡產(chǎn)生油滲、擴(kuò)散和褪色等現(xiàn)象，或?qū)е录垙垙?qiáng)度下降并滋生有害生物；一些特殊倉庫在某一溫濕度條件下甚至?xí)a(chǎn)生有毒氣體。為了保證庫存物品安全和良好的工作環(huán)境，對庫房溫濕度的檢測是必要的。溫濕度傳感器與溫濕度測量市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些智能化的“庫房溫濕度巡檢和聯(lián)動控制系統(tǒng)”，此類系統(tǒng)通過傳感器檢測溫濕度，并將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控庫房溫濕度的變化情況，當(dāng)溫濕度超過一定范圍時(shí)，啟動或關(guān)閉溫濕度控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)庫房溫濕度的功能。溫濕度傳感器與溫濕度測量本任務(wù)要求利用Sensirion溫濕度傳感器和C51教學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)一款溫濕度檢測機(jī)器人，它能夠?qū)崟r(shí)檢測機(jī)器人所在位置的溫濕度和露點(diǎn)，并將所測數(shù)據(jù)通過串口以9600bit/s的速度傳給計(jì)算機(jī)。溫濕度傳感器與溫濕度測量本任務(wù)的學(xué)習(xí)目的如下①認(rèn)識Sensirion溫濕度傳感器。②認(rèn)識Sensirion溫濕度傳感器的通信接口。③編寫程序，讀取傳感器數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器與溫濕度測量溫濕度傳感器與溫濕度測量Sensirion溫濕度傳感器實(shí)物圖如圖6.1所示。Sensirion溫濕度傳感器簡介由圖可知，Sensirion溫濕度傳感器采用一塊貼片式的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器芯片。通過標(biāo)定得到的校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲在芯片本身的OTP（OneTimeProgrammable）內(nèi)存中。通過兩線制的串口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小體積、極低功耗等優(yōu)點(diǎn)使其成為各類應(yīng)用的首選。溫濕度傳感器與溫濕度測量溫濕度傳感器的工作原理Sensirion溫濕度傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器及一個(gè)串口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上。敏感元件所產(chǎn)生的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號通過兩線制數(shù)字接口輸出。該傳感器可用于測量相對濕度、溫度和露點(diǎn)。各物理量的值可以根據(jù)讀到的數(shù)據(jù)按照一定的方法計(jì)算得到。溫濕度傳感器與溫濕度測量溫濕度傳感器與溫濕度測量濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)C1、C2、C3見表6.1。溫濕度傳感器與溫濕度測量溫度補(bǔ)償系數(shù)T1、T2見表6.2。溫濕度傳感器與溫濕度測量溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)D1、D2的取值參照表6.3。露點(diǎn)指空氣在含水量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說就是空氣中的水蒸氣在變?yōu)槁吨闀r(shí)的溫度。當(dāng)空氣中的含水量已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)相同；當(dāng)含水量未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)，所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的含水量距離飽和的程度?；诩t外測距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程溫濕度傳感器與溫濕度測量圖6.2所示為Sensirion溫濕度傳感器的引腳說明。各引腳的具體定義如下。①DATA：1引腳，數(shù)據(jù)輸出端。②SCK：3引腳，時(shí)鐘信號輸入端，輸入Clock信號。③Vss：4引腳，地。④VDD：8引腳，電源。溫濕度傳感器與溫濕度測量Sensirion溫濕度傳感器一共有8個(gè)引腳，其中2、5、6、7是空引腳。在本任務(wù)中使用AT89S52單片機(jī)作為控制芯片，將DATA（數(shù)據(jù)）引腳接至單片機(jī)的P13引腳，SCK引腳接至單片機(jī)的P12引腳。基于紅外測距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程溫濕度傳感器與溫濕度測量Sensirion溫濕度傳感器的電路連接如圖6.3所示。①電源（VDD）。SHT11芯片的供電電壓為2.4~5.5V，這里使用兩輪機(jī)器人上的5V電源。傳感器在上電后要等待11ms來完成“休眠”，在此期間發(fā)送任何指令均無效。②時(shí)鐘信號（Clock信號）。Clock信號用于微處理器與SHT11之間的通信同步。由于端口包含了完全靜止邏輯，因而不存在最小時(shí)鐘頻率。③數(shù)據(jù)輸出端（DATA）。DATA端口用于數(shù)據(jù)的輸出，在Clock信號下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在Clock信號上升沿有效。溫濕度傳感器與溫濕度測量在數(shù)據(jù)傳輸期間，當(dāng)Clock信號為高電平時(shí)，DATA輸出必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA為低電平，需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號拉至高電平。需要注意的是，SHT11應(yīng)用的串口技術(shù)是SPI技術(shù)，在傳感器信號讀取及電源損壞方面都做了優(yōu)化處理，但與r2C接口不兼容。溫濕度傳感器與溫濕度測量溫濕度傳感器與溫濕度測量通信復(fù)位時(shí)序圖如圖6.4所示。溫濕度傳感器與溫濕度測量啟動傳輸時(shí)序圖如圖6.5所示。當(dāng)Clock信號為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，接著Clock信號變?yōu)榈碗娖剑缓笤贑lock信號為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平，如圖6.5所示。后續(xù)命令包含3個(gè)地址位（目前只支持“000”）和5個(gè)命令位。SHT11會以下述方式表示已正確地接收到指令：在第8個(gè)Clock信號下降沿之后，將DATA被拉為低電平（ACK位）。在第9個(gè)Clock信號下降沿之后，釋放DATA（恢復(fù)高電平）。溫濕度傳感器與溫濕度測量程序通過向傳感器發(fā)送命令測量溫濕度，發(fā)送00000011表示測量溫度，發(fā)送00000101表示測量濕度。在發(fā)送測量命令后，控制器需要等待測量結(jié)束，這個(gè)過程大概需要11/55/210ms（分別對應(yīng)8/12/14位的測量），確切時(shí)間與晶振有關(guān)。SHT11模塊通過下拉DATA至低電平，表示測量結(jié)束?？刂破髟谟|發(fā)Clock信號前，必須等待這個(gè)完成信號。溫濕度傳感器與溫濕度測量在啟動傳輸后，接著傳輸2字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1字節(jié)的CRC奇偶校驗(yàn)位。單片機(jī)需要通過下拉DATA為低電平，來確認(rèn)每字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右邊的數(shù)據(jù)有效（例如，對于12位數(shù)據(jù)，從第5個(gè)Clock信號起算作MSB；而對于8位數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。用CRC數(shù)據(jù)的確認(rèn)位表明通信結(jié)束。如果不使用CRC-8校驗(yàn)，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認(rèn)位ASK高電平來中止通信。溫濕度傳感器與溫濕度測量對于所測數(shù)據(jù)如何換算成物理量，已在本任務(wù)前面介紹過，這里不再贅述。程序根據(jù)當(dāng)前所讀取的數(shù)據(jù)，通過公式計(jì)算，得到溫濕度及露點(diǎn)，然后輸出溫濕度和露點(diǎn)的值?；诩t外測距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程02溫濕度檢測機(jī)器人的制作本任務(wù)要求將在任務(wù)6.1中編寫的溫濕度檢測程序與在第5章中開發(fā)的漫游機(jī)器人結(jié)合起來，讓機(jī)器人在漫游的過程中每隔5s測量1次溫濕度，并將測量結(jié)果顯示到LCD上。溫濕度檢測機(jī)器人的制作修改并補(bǔ)充任務(wù)6.1中的主程序，讓機(jī)器人一邊漫游，一邊通過LCD顯示測量到的溫濕度數(shù)據(jù)。機(jī)器人漫游可以采用第5章中的紅外測距云臺傳感器進(jìn)行導(dǎo)航。在修改程序時(shí)注意單片機(jī)接口資源的分配。