朱嶸濤 ,徐愛鈞

(1.長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 信息系，荊州 434023；2.長江大學(xué) 電信學(xué)院)

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單總線傳感器AM2302溫濕度測(cè)控系統(tǒng)原理及應(yīng)用

朱嶸濤1,徐愛鈞2

(1.長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 信息系，荊州 434023；2.長江大學(xué) 電信學(xué)院)

新型單總線數(shù)字溫濕度傳感器AM2302具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、超長的信號(hào)傳輸距離等特點(diǎn)。本文簡要介紹了單總線概念，闡述了AM2302的基本原理和控制使用方法，以及其在溫濕度測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。經(jīng)測(cè)試證明，AM2302具有安裝簡單、維護(hù)方便、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。

單總線；溫濕度傳感器；AM2302

引　言

新一代的數(shù)字溫濕度傳感器AM2302具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、超長的信號(hào)傳輸距離等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1　單總線簡介[1-3]

目前常用的微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€主要有I2C總線、SPI總線和SCI總線。其中，I2C總線以同步串行2線方式進(jìn)行通信(一條時(shí)鐘線和一條數(shù)據(jù)線)，SPI總線則以同步串行3線方式進(jìn)行通信(一條時(shí)鐘線、一條數(shù)據(jù)輸入線和一條數(shù)據(jù)輸出線)，而SCI總線是以異步方式進(jìn)行通信(一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線)。這些總線至少需要兩條或兩條以上的信號(hào)線。

美國的達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出了一項(xiàng)特有的單總線(1-Wire Bus)技術(shù)。該技術(shù)與上述總線不同，它采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作；當(dāng)有多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。

2　AM2302的主要特點(diǎn)及其引腳說明[4]

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與良好的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)AM2302傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。

作為一種新型的單總線數(shù)字溫濕度傳感器，AM2302能夠廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其基本指標(biāo)如下：全量程標(biāo)定校準(zhǔn)，單總線數(shù)字輸出；溫度測(cè)量范圍為 -40～80 ℃；濕度測(cè)量精度為 ±2.0% RH；溫度測(cè)量精度為 <±0.5 ℃；響應(yīng)時(shí)間 <5 s；低功耗；超長的信號(hào)傳輸距離；出色的長期穩(wěn)定性。

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù), 具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。單線制串行接口, 使之與微控制器的連接可以更簡潔，并且功耗極低, 信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上。AM2302采用4針單排引腳封裝, 電路連接方便, 引腳說明如表1所列。

表1　引腳說明

AM2302數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式，即單個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入/輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5字節(jié)組成。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和，數(shù)據(jù)為前4個(gè)字節(jié)相加。AM2302一次通信時(shí)間最長為3 ms，主機(jī)連續(xù)采樣間隔建議不小于100 ms。

3　AM2302典型應(yīng)用電路

圖1　MCU與AM2302的典型連接電路

AM2302的供電電壓為3.3～6 V,傳感器上電后，要等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳(VDD和GND)之間可增加一個(gè)100 nF 的電容，用以去耦濾波，MCU與AM2302的典型連接電路如圖1所示。

4　AM2302通信時(shí)序說明[5]

MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,AM2302從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,AM2302發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40位的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集。MCU從AM2302讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測(cè)量值，因此在實(shí)際測(cè)量中如兩次測(cè)量間隔時(shí)間較長，應(yīng)連續(xù)讀兩次數(shù)據(jù)以獲得實(shí)時(shí)的溫濕度值。

AM2302通信時(shí)序總圖如圖2所示。首先MCU 在數(shù)據(jù)線上發(fā)出開始信號(hào)，AM2302在檢測(cè)到此信號(hào)后回復(fù)響應(yīng)信號(hào)，接著拉高數(shù)據(jù)線，然后向主機(jī)發(fā)送測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，釋放總線。

AM2302通信時(shí)序詳細(xì)時(shí)序圖如圖3所示。空閑時(shí)總線為高電平，通信開始時(shí)MCU拉低總線1～10 ms后釋放總線，延時(shí) 20～40 μs后主機(jī)開始檢測(cè)AM2302的響應(yīng)信號(hào)。AM2302的響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)80 μs左右的低電平，隨后從機(jī)拉高總線80 μs,代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送。

圖2　AM2302通信時(shí)序總圖

圖3　AM2302通信時(shí)序詳細(xì)時(shí)序圖

高電平后就是數(shù)據(jù)位，每位數(shù)據(jù)都是由一個(gè)低電平時(shí)隙和一個(gè)高電平組成。低電平時(shí)隙就是一個(gè)50 μs左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始，其后的高電平的長度決定數(shù)據(jù)位所代表的數(shù)值，較長的高電平代表1，較短的高電平代表0,共40位數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機(jī)將再次拉低總線50 μs左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。數(shù)字“1”的信號(hào)時(shí)序圖如圖4所示，數(shù)字“0”的信號(hào)時(shí)序圖如圖5所示。

圖4　數(shù)字“1”的信號(hào)時(shí)序圖

圖5　數(shù)字“0”的信號(hào)時(shí)序圖

溫濕度讀取子程序如下：

5　基于AM2302的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

基于AM2302的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)框圖如圖6 所示，采用STC15F2K61S2微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì) AM2302的溫濕度數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后，將溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過串口送到上位機(jī)。如果當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度范圍，會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，與此同時(shí)該報(bào)警信號(hào)會(huì)打開加濕機(jī)和空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，這樣便有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)控制。

圖6　溫濕度測(cè)控系統(tǒng)框圖

結(jié)　語

通過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，AM2302在溫濕度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性上都能較好地滿足用戶的需求。AM2302采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗， 可達(dá)20 m以上的信號(hào)傳輸距離，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的極佳選擇。

[1] 黃河.基于DS18B20的單總線數(shù)字溫度計(jì)[J].湘潭師范大學(xué):自然科學(xué)版，2008，30(4).

[2] 徐敏，諸葛振榮，宋加仁.基于1-Wire技術(shù)的數(shù)字溫度計(jì)[J].機(jī)電工程,2007,24(4).

[3] 農(nóng)靜，鄭宗亞，劉志杰.單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及其應(yīng)用[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,25(3).

[4] 朱嶸濤,葉傳濤.基于nRF2401和STC15F2K61S2的多點(diǎn)無線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油儀器，2014,28(1).

[5] 倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測(cè)控中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010,10(6).

朱嶸濤(講師)，主要研究領(lǐng)域?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；徐愛鈞(教授)，主要研究領(lǐng)域?yàn)槟：刂评碚撆c應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)智能化儀器儀表。

Temperature Humidity Measurement and Control System Principle and Application Based on 1-wire Bus Sensor AM2302

Zhu Rongtao1,Xu Aijun2

(1.Department of Information,Yangtze University College of Technology&Enginerring,Jingzhou 434023,China;2.College of Electronics&Information,Yangtze University)

The new 1-wire bus digital temperature humidity sensor AM2302 has many advantages such as small volume,low-power consumption,rapid response speed and long signal transmission distance.In the paper,the concept of 1-wire bus is briefly introduced,the basic principle and the application method of AM2302 and its application in the temperature and humidity control system are given.The test results show that the system has the advantages of install simple,maintenance friendly and high stablity.

1-wire bus;temperature humidity sensor;AM2302

TP368

A

(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-11-03)