專利名稱：室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄裝置，具體地說，是涉及一種測試室內(nèi) 環(huán)境舒適度指標(biāo)并記錄該指標(biāo)的記錄儀。
背景技術(shù)：
室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀是一種專門為測試、記錄室內(nèi)氣候環(huán)境舒適度指標(biāo)而 設(shè)計(jì)的儀器，適用于密閉空間的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。目前市場上已有的同類產(chǎn)品以測量室內(nèi)空 氣溫度、濕度為主，無法較精確地衡量人體舒適程度指標(biāo)，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理能力有所欠缺， 不能進(jìn)行舒適度指標(biāo)的換算，也不能方便地將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的運(yùn) 算功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí)現(xiàn)有的室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀由于沒有硬件存儲結(jié)構(gòu)，因 此數(shù)據(jù)讀取后便會消失，日后無從查找。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀，它與現(xiàn)有技術(shù)相比，能同 時(shí)監(jiān)測并記錄室內(nèi)溫度、濕度，可以精確地衡量人體舒適程度指標(biāo)，并同時(shí)具有硬件存儲結(jié) 構(gòu)。本發(fā)明的室內(nèi)環(huán)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(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀由單片機(jī)小系統(tǒng)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(shù)據(jù)兼容 性，在SD卡模塊上建立了簡化的兼容FAT16文件系統(tǒng)，并將SD卡的操作過程分成四個(gè)層 次硬件抽象層、SD卡命令層、文件系統(tǒng)層和應(yīng)用層。其中硬件抽象層包含SPI接口配置、 SD卡狀態(tài)檢測、SPI接口通訊函數(shù)等。SD卡命令層包含了 SPI模式支持的若干命令，并對 響應(yīng)處理。文件系統(tǒng)層相對獨(dú)立，為應(yīng)用層提供基本的文件訪問接口函數(shù)。單片機(jī)小系統(tǒng)模塊以超低功耗16位MSP430F149為主控芯片，該模塊的小電路系 統(tǒng)由32768Hz晶振、4MHz晶振、復(fù)位電路、JTAG程序燒寫電路組成。MSP430F149芯片的超 低功耗架構(gòu)延長了電池的使用壽命，它有0. luA RAM保持電流、0.8uA實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式電流， 250uA/MIPS有效方式，16位RISC CPU使新的應(yīng)用僅需一段代碼即可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃 存允許更改代碼、更新字段和記錄數(shù)據(jù)，基于閃存ROM的MCU，工作電壓為1. 8V至3. 6V，性 能高達(dá)60kB和8MIPS (帶有基本時(shí)鐘)。IXD顯示模塊采用12864點(diǎn)陣液晶顯示器，傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及操作的指示 都通過液晶顯示器顯示出來。點(diǎn)陣液晶顯示器相對于字符型顯示器，具有靈活性更強(qiáng)的特 點(diǎn)，在顯示范圍內(nèi)它可以任意顯示用戶所需的內(nèi)容。液晶顯示器采用液晶芯片驅(qū)動，液晶芯 片驅(qū)動模塊具有MCU外設(shè)連接、串口、片內(nèi)集成時(shí)鐘震蕩器，工作電壓范圍為2. 4-3. 6V，在 操作時(shí)功耗典型值為40uA，待機(jī)狀態(tài)為10uA，功耗很低。該驅(qū)動芯片模塊的可工作溫度范 圍為-40到85 °C。本發(fā)明中的溫濕度傳感器型號是SHT11。本發(fā)明將進(jìn)一步通過優(yōu)選的實(shí)施例結(jié)合附圖加以說明。


圖1是現(xiàn)有儀器的系統(tǒng)原理圖；圖2是溫濕度傳感器引腳圖；圖3是溫濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖4是微處理器與溫濕度傳感器的連接圖；圖5是數(shù)據(jù)傳輸啟動時(shí)序圖；圖6是溫濕度傳感器溫度測試時(shí)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(shí)施例方式下面參照附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。實(shí)施例1本實(shí)施例的記錄儀是帶有MSP430F149單片機(jī)的溫濕度記錄儀，能夠精確地測量 溫濕度，對測量結(jié)果進(jìn)行記錄并實(shí)時(shí)顯示。如圖1所示，現(xiàn)有系統(tǒng)主要由單片機(jī)小系統(tǒng)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(fā)明的溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝技術(shù)，接口簡單。GND 信號接地腳7與電源腳10之間的工作電壓范圍是2. 4-5. 5V。對與二線串行數(shù)字接口，DATA 8為數(shù)據(jù)線，SCK 9為時(shí)鐘線。NC腳未連接。如圖3，本發(fā)明的溫濕度傳感器將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱 器等功能集成到一個(gè)芯片上。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件15和一個(gè)用能 隙材料制成的溫度敏感元件16。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信 號首先進(jìn)入微弱信號放大器17進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器18 ；最后經(jīng)過 二線串行數(shù)字接口 19輸出數(shù)字信號。溫濕度傳感器在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境中 進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲在校準(zhǔn)寄存器20中；在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會自動校準(zhǔn)來自傳 感器的信號。在高濕(> 95% RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng) 時(shí)間，提高精度。加熱后溫濕度傳感器溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差 異。因此，溫濕度傳感器內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將溫濕度傳感器 的溫度升高5°C左右，同時(shí)功耗也會有所增加。如圖4，本發(fā)明的微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與溫濕度傳感器進(jìn)行通信的。 通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)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(shí)序。微處理器21對溫濕度傳感器的控制是通過5個(gè)5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的，00011表示 測量溫度，00101表示測量濕度，00111表示讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器，00110表示寫內(nèi)部狀態(tài)寄存 器，11110表示復(fù)位命令。復(fù)位命令使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值，在下一次命令前至少等 待11ms，其他命令表示保留。溫濕度傳感器通過二線數(shù)據(jù)串行接口來訪問，DATA數(shù)據(jù)線外 接上拉電阻21，時(shí)鐘線SCK用于微處理器20和溫濕度傳感器22之間的通信同步。由于接 口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對SCK最低頻率沒有要求；當(dāng)工作電壓高于4. 5V時(shí)，SCK頻率最高為10MHz，而當(dāng)工作電壓低于4. 5V時(shí)，SCK最高頻率則為1MHz。如圖5，微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口 SCK和DATA，其中SCK為 時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)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(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?。?dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn) 為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?；在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次 翻轉(zhuǎn)為高電平。如圖6，本發(fā)明的室內(nèi)環(huán)境舒適度記錄儀接通電源開關(guān)后，主機(jī)發(fā)出啟動命令，隨 后發(fā)出一個(gè)8位命令碼，該命令碼包含3個(gè)地址位(芯片設(shè)定地址為000)和5個(gè)命令位； 發(fā)送完該命令碼，主機(jī)將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待溫濕度傳感器的響應(yīng)；溫濕度傳感器 接收到上述地址和命令碼后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK ； 在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，從機(jī)釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線；釋放總線后，從機(jī)開始測量 當(dāng)前濕度，測量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機(jī)檢測到DATA總線被拉低后，得知 濕度測量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時(shí)鐘信號；從機(jī)在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在 第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號。然后釋放總線DATA ；在隨后8個(gè) SCK周期下降沿，從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，主機(jī)再次將DATA總線拉低作 為接收數(shù)據(jù)的ACK信號；在最后8個(gè)SCK下降沿，從機(jī)發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，如主機(jī)不予應(yīng)答 (NACK)則測量結(jié)束。由于微處理器通過二線串行數(shù)字接口訪問溫濕度傳感器，而訪問協(xié)議是芯片生產(chǎn) 商自定義的，所以需要用通用I/O 口模擬該通信協(xié)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(jù)需要設(shè)置成輸入、輸出、高阻等狀態(tài)。這為模擬該通信協(xié)議提供了條 件。在軟件實(shí)現(xiàn)過程中，通過宏定義，可以實(shí)現(xiàn)SCK和DATA總線的各種輸入和輸出狀態(tài)。為 了模擬該二線串行數(shù)字協(xié)議，還需要一個(gè)延時(shí)函數(shù)。基于以上宏定義和延時(shí)函數(shù)，可以方便 地使SCK和DATA總線輸出持續(xù)一定時(shí)間的高電平或低電平，從而可以模擬圖5所示的溫濕 度傳感器的讀寫協(xié)議。在濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償中，溫濕度傳感器可通過DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出濕 度值。該濕度值稱為“相對濕度”，需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕 度值。由于相對濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可 按下式修正濕度值=C1+C2x SORH +C3x)式中RHlin_為經(jīng)過線性補(bǔ)償后的濕度值，S0EH為相對濕度測量值，Q、C2、C3為線 性補(bǔ)償系數(shù)。由于溫度對濕度的影響十分明顯，而實(shí)際溫度和測試參考溫度25°C有所不同，所 以對線性補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償很有必要。補(bǔ)償公式如下 RH_ = (T0c -25) (r, +t2-SOm) + RHlinear式中RHteU6為經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值(°C )，T為測試濕度值時(shí)的溫 度(°C ), 和t2為溫度補(bǔ)償系數(shù)。在溫度值輸出中，由于溫濕度傳感器是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感元件， 因而具有很好的線性輸出。實(shí)際溫度值可由下式算得Temperature =d1+d2 X S0T
式中噸和d2為特定系數(shù)，屯的取值與溫濕度傳感器工作電壓有關(guān)，d2的取值則 與溫濕度傳感器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)。為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，本發(fā)明的室內(nèi)環(huán)境舒適度記錄儀在數(shù)字電源和模擬電源之 間都用瓷珠保護(hù)。本發(fā)明的兩個(gè)晶振頻率分別為32768Hz和4MHz。其中，32768Hz晶振用 于實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精確計(jì)時(shí)和DC0內(nèi)部時(shí)鐘校驗(yàn)，4MHz晶振用于主系統(tǒng)始終源。復(fù)位電路中復(fù) 位電容容量為0. OOluF,電阻為100K，上電復(fù)位時(shí)間大約為100uS。沒有采用更大的復(fù)位電 容是因?yàn)殡娙萏髮TAG的通信有影響。參見圖7，IXD顯示模塊采用128*64點(diǎn)陣液晶。傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及操作的 指示都通過液晶展示出來。點(diǎn)陣型液晶顯示模塊相對于字符型顯示模塊具有靈活性更強(qiáng)的 特點(diǎn)。在顯示范圍內(nèi)點(diǎn)陣型液晶顯示模塊可以任意顯示用戶所需的內(nèi)容。點(diǎn)陣型液晶顯示 模塊中的液晶驅(qū)動芯片是三星公司生產(chǎn)的S6B0724。參見圖8，SD卡格式化后，MBR(主引導(dǎo)記錄)、DBR(D0S引導(dǎo)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(fā)明的應(yīng)用 中，考慮到單片機(jī)資源限制和FLASH擦除頻度均衡的需要，預(yù)先建立以日期為文件名的文 本文件，用于存儲當(dāng)天的記錄。記錄格式為“機(jī)號+溫度+報(bào)警處理+時(shí)間戳”。每條數(shù)據(jù) 占用一行，最后記錄附加結(jié)束標(biāo)記。記錄添加后不更新文件大小和修改時(shí)間域，避免該域過 度頻繁地擦寫。對于常見的1G容量的SD卡，每個(gè)文件分配2. 8M，每天可以記錄數(shù)據(jù)4萬多 條(每條記錄占64字節(jié))。本發(fā)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(jī)運(yùn)行文件系統(tǒng)和執(zhí)行速度的矛盾以及反復(fù)擦寫FAT表和根目錄區(qū)造成所在扇 區(qū)提前老化的問題，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。本發(fā)明的室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀采用如下方式運(yùn)行接通電源，操作者通過菜單選擇，可進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘的調(diào)節(jié)，可以選擇是否進(jìn)行記 錄，可以查詢記錄的溫濕度，測試和查詢結(jié)果顯示在128*64液晶屏上。顯示的界面是實(shí)時(shí) 時(shí)間和每隔一分鐘測量的溫濕度值，自動切換的圖畫可以讓界面更加生動。當(dāng)記錄按鍵按 下后系統(tǒng)將開始記錄溫濕度值(默認(rèn)時(shí)是不記錄狀態(tài))，數(shù)據(jù)記錄時(shí)是先通過數(shù)組記錄在 RAM中。在數(shù)據(jù)量到達(dá)256個(gè)字節(jié)時(shí)再寫入SD卡中(因?yàn)镾D卡的數(shù)據(jù)擦除是只能塊擦除 的)。當(dāng)菜單選擇按鍵被按下時(shí)進(jìn)入菜單系統(tǒng)，本菜單系統(tǒng)最多有三級菜單，可方便直觀地 進(jìn)行功能選擇和信息查詢。數(shù)據(jù)記錄在SD卡上，SD卡可作為長時(shí)間的數(shù)據(jù)儲存(一條記 錄數(shù)據(jù)占64字節(jié)，1G的SD卡最大存儲11650天的數(shù)據(jù))，可以通過計(jì)算機(jī)的讀卡器將數(shù)據(jù) 上載，與計(jì)算機(jī)建立數(shù)據(jù)共享，便于進(jìn)一步分析與報(bào)表生成。本實(shí)施例適合于建筑物室內(nèi)、公共交通工具的空調(diào)環(huán)境下氣候參數(shù)監(jiān)測。通過對 建筑物的門、窗附近等熱量耗散大的地方的監(jiān)測，評估供熱系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的工作性能，進(jìn) 行建筑物外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)施優(yōu)化，達(dá)到中央空調(diào)運(yùn)行時(shí)候兼顧節(jié)能的要求同時(shí)滿足人 體對舒適度的要求。
權(quán)利要求
1.一種室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀，包括單片機(jī)小系統(tǒng)模塊，傳感器模塊，IXD顯示 模塊，按鍵模塊，電源檢測模塊，其特征在于該測試儀還包括有SD卡。
2.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀，其特征在于所述的室內(nèi)環(huán)境舒適 度測試記錄儀的SD卡工作步驟為(1)接通電源；(2)發(fā)送74個(gè)時(shí)鐘脈沖后卡進(jìn)入空閑狀態(tài)，接受SD模式命令；(3)發(fā)送“CMD0”命令，片選信號為0狀態(tài)，進(jìn)入SPI模式；(4)發(fā)送命令“CMD55+ACMD41，，；(5)如果命令合法，檢查卡是否就緒，若卡就緒，進(jìn)入傳輸模式。如果命令不合法，執(zhí)行 命令“CMD1”，然后進(jìn)入傳輸模式；(6)若卡沒有就緒，回到步驟4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀，其特征在于，該記錄儀使用 的控制芯片為MSP430F149超低功耗16位主控芯片。
全文摘要
一種基于MSP430F149單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境舒適度測試記錄儀，包括單片機(jī)小系統(tǒng)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(fā)明能夠精確測量溫濕度，記錄并實(shí)時(shí)顯示。通過菜單選擇，可進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘的調(diào)節(jié)和記錄控制，還可以進(jìn)行記錄溫濕度的查詢。本發(fā)明在記錄按鍵按下后開始記錄溫濕度值，系統(tǒng)先將數(shù)據(jù)通過數(shù)組記錄在RAM中，在數(shù)據(jù)量到達(dá)256個(gè)字節(jié)時(shí)再寫入SD卡中，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便省電、能夠長期保存記錄的特點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者張凱, 杜興科, 潘艷紅, 王璟, 趙子愷 申請人:杜興科, 潘艷紅, 王璟