户外LED显示屏参数监控板设计

    LED显示屏其以容易控制、响应速度快、成本低等优点，应用前景广泛。但除一些室内应用之外，led大屏幕多应用于广场、火车站、商业街等，因受温度、湿度、烟雾、下雨、尘埃等因素影响会导致LED快速老化，出现故障和寿命缩短。如出现问题才去修理，会造成高成本维修或者不可修复性损伤。

　　监控板可以实时检测LED显示屏所处环境的温度、相对湿度，是否有烟雾等信息，并将测得参数信息上传至控制计算机，监控软件会将这些信息显示在界面上。这就使得各个灯箱的工作情况和环境参数呈现出来，便于监测和管理。

　　选取STC的一款单片机作为核心处理器件，该单片机带有8路的A/D通道，因为所要测量的都是模拟量，需要转换为数字量才能处理。测量温度可用热敏电阻或者DS18B20,DS18B20数字式的温度传感器，精度高。考虑到DS18B20的操作较为复杂，占用单片机较大的程序空间，而监控板要求的温度精度并不高，所以采用热敏电阻作为温度传感器件。常用的相对湿度传感器有湿敏电阻和湿敏电容等方式。用湿敏电容和555定时器组合的方式，程序上容易实现且相对稳定。烟雾传感器有光电式和离子式两种，经比较发现，离子式的烟雾传感器价格略高，但处理程序较简单，占用的程序空间较小，所以采用离子式烟雾传感器。

　　1、系统框图

　　自身带A/D转换功能的单片机可以作为处理器，再配合温度传感器、湿度传感器和烟雾传感器就可以实现对这3种环境参数的采集和测量。

图1　系统框图

    2、温度采集模块

　　考虑到实际境况中对温度测量的精度要求不是很高而且要控制成本，选用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器。图2反映的是该热敏电阻值与温度的对应关系。

　　实际电路中，采用热敏电阻和高精度电阻分压的方法，将它们的连接端接入单片机带A/D功能的引脚。该单片机有8路10位高精度A/D转换器，速度可达100kHz。因此可以省略A/D转换电路的设计，将硬件电路功能通过软件实现。当温度发生变化的时候，R44的阻值就发生变化，经过分压后，输出TEM_TEST电压信号变化，单片机A/D采样值随之发生变化。将图转换成一张表格存储在单片机的代码段里，按照得到的A/D采样值查表，用差值的方法就可以得到当前的温度值。

图2　实际的热敏电阻温度特性

　　3、相对湿度采集模块

　　湿度传感器选用湿敏电容，其容值随湿度的变化而变化。如图3所示。

图3　湿度响应曲线

　　湿度传感电路设计，如图4所示。

图4　湿度传感电路

    湿敏电容和TLC555配合使用可以完成相对湿度的测量。TLC555具有定时精度高，工作速度和可靠性高，电源电压范围宽，结构简单等特点。它内部由R-S触发器、比较器、输出级、分压器、放电电子开关几部分组成。如图4所示，C8为湿度传感器，它和R24,R36,R38,TLC555组成了非稳态的间接反馈多谐振荡器，将相对湿度转换成频率信号。输出频率范围是7351～6033Hz,所对应的相对湿度为0～100%。

　　TLC555充、放电时间分别为：

　　输出波形的频率f和占空比D的计算公式如下：

　　通常取R36nR24,使得D≈50%,输出接近于方波。

　　当相对湿度变化时，湿敏电容的容值随之发生变化，进而TLC555输出波形的频率发生变化，单片机根据得到的频率再通过插值法得到当前的相对湿度值。输出方波频率与相对湿度的数据如表1所示。

表1　输出方波频率与相对湿度的数据对照表

    4、烟雾信息采集模块

　　烟雾采集模块采用的MC14468烟雾检测器和NIS-09C烟雾传感器，分别如图5和图6所示。

图5 MC14468引脚图

图6 NIS-09C外形图

　　烟雾检测器MC14468是美国摩托罗拉公司生产的离子感烟探测报警专用芯片，为大规模CMOS电路构造。它只需外接一个离子源和用于安装离子源的离子室及少量的外部元件，即完成烟雾探测和报警功能。当探测到烟雾时，它能通过外接的压电式换能器和内部驱动电路发出报警声。

　　NIS-09C烟雾离子室。它是日本Nemoto公司专为检测烟雾设计的新型传感器。离子源是镅241,其放射强度低至018Ci（即018微居里），不会对人体造成伤害，也不会污染环境，离子源装在离子室的顶部。

　　烟雾传感电路设计如图7所示。

图7　烟雾传感电路设计

　　如果检测到烟雾，时钟周期T0就变成40ms,同时启动报警驱动电路，使之打开160ms,再关断80ms。在关断期间若没有检测到烟雾，就禁止BZ发出报警声。一旦检测到烟雾，LED就以1Hz的频率闪烁发光，表示烟雾报警，1脚由低电平变为高电平。

　5、系统调试

　　串口助手接收区的“8180”是用补码表示的温度值，实际是24℃。“BC”表示相对湿度值60%,“BC”后的“81”表示烟雾报警，若为“80”则不报警。

　　这是中间截取的数据，实际这些数据要送给控制计算机，借助专用软件显示会更直观。

图8串口助手调试界面

　　该系统检测温度的精度是1℃，相对湿度的精度是1%。经实际测量得到温度值误差最大为1℃。相对湿度的误差较大，最大为5%,该误差与湿敏电容器件之间的差异性有很大关系，若要得到误差小的相对湿度，则需要校正程序。

　　6、结语

　　本文设计的监控板能够得到LED各个灯箱的温度、相对湿度和烟雾信息，工作稳定且可靠性高，适用于那些对温度和相对湿度精度要求不是特别高而且对成本敏感的场合。