湿度监测系统设计方案

时间：2012-06-04

　　摘要：本文提出了一种基于单片机，SD卡和湿度传感器的湿度监测系统设计方案，并将其应用于森林湿度监测系统实例中，该方案不仅简便易行，成本低廉，而且具有实际应用价值。同时，该系统性能稳定，操作方便，具有较高的性价比，适于在实际中应用。现就基于SPCE061A单片机，SD卡和湿度传感器的湿度监测系统设计方案介绍如下。

　　一、系统方案介绍

　　系统总体框图如图1所示。其中，单片机采用凌阳公司的SPCE061A.该单片机内部结构框图如图2所示，相关说明见表1。

图1 系统总体框图

图2 SPCE061A结构

表1 结构图说明

　　1.系统方案设计

　　应用SPCE061A读写SD卡，首先要寻找它们之间的通信方案。SD模式是SD卡的标准读写方式，选用此模式需要选择带SD卡控制接口的MCU或者额外的SD卡控制单元；SPI模式通过SPI总线完成SD卡与主控制器的通信。SPCE061A没有集成SD卡控制器，为了减少额外的SD卡控制单元硬件成本，本方案采用SPI模式进行二者之间的通讯。另外，SPCE061A没有集成化的SPI接口模块，因此要用软件进行SPI接口时序的模拟。

　　SD卡的逻辑电平相当于3.3V的TTL电平标准，而SPCE061A通过跳线的设置完全可以提供该工作电压，因此不需要增加额外的电平匹配电路。

　　2.湿度传感器选择

　　鉴于森林中温度和湿度的变化较大，系统中的湿敏电阻选用耐高温高压且特性稳定的MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器。

　　二、系统硬件连接

　　1.SPCE061A单片机和SD卡的连接

　　凌阳公司提供专门的SD卡配套模组，因此单片机和SD卡的连接较为方便。

　　（1） SD卡接口规范。

　　SD卡工作在2.7~3.6V电压下，其普通SD卡的结构示意图如图3所示，表2列出了各引脚在SPI模式下的定义和功能描述。主机与SD卡之间通过指令来实现交互。

图3 SD卡结构示意图

表2 SPI模式下SD卡引脚定义

　　（2）接口电路设计示意图（见图4）。

图4 SD卡与单片机连接示意图

图4 SD卡与单片机连接示意图。

　　2.SPCE061A与湿度传感器的连接

　　（1）湿敏传感器。

　　大多数湿度传感器A-A端为测量电极，B-B端为加热清洗电极，如图5所示。加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器感湿层中的水分子。

图5 湿敏传感器

　　（2）单片机与传感器连接示意图（见图6）。

图6 单片机和传感器的连接

　　三、软件设计

　　1. FAT文件系统

　　FAT16文件系统的存储结构如图7所示。

图7 FAT文件系统结构

　　主引导记录区（MBR,Main Boot Record）位于物理磁盘第零扇区。MBR中有硬盘分区记录表DPT（Disk Partition Table），DPT记录了各逻辑分区的相对偏移。SD卡不支持多分区，在一个SD卡中只有一个分区，因此在SD卡上的DPT只有一个分区表项被占用。系统引导记录区（DBR,DOS Boot Record）位于磁盘逻辑分区的第零扇区，是操作系统可以访问的个扇区。它其中包含一个称为BPB（Bios Parameter Block）的本分区参数记录表。BPB记录着本分区的根目录大小、FAT个数、磁盘介质描述、分配单元大小等重要参数。

　　DBR之后是FAT（File Allocation Table）文件分配记录表，记录文件在磁盘上的存储位置。在Windows系统中，文件存储的单位是簇而不是字节，一个文件并不是连续地存放于磁盘的某一区域，而往往是分成若干段，像链子一样存放。FAT表记录了每个文件的起始簇号、后继簇号和终止簇号。FAT表中的每个表项对应数据存储区中的一个簇，由于FAT表对文件管理的重要性，FAT表有一个备份。

　　DIR是根目录区，紧接着第二个FAT表（FAT2）之后，记录着根目录下每个文件的起始簇号、大小等属性。操作系统根据DIR中文件的起始簇号和大小，结合FAT表来定位文件。

　　FAT16 文件系统中一个文件的存储示意图如图8所示。

图8 文件存储示意图

　　2.SD卡指令规范

　　单片机通过相应指令与SD卡进行交互，SD卡有特定的指令格式。所有的SD卡指令都是6字节长，有效位（MSB）传输优先。SD卡特定指令格式如图9所示。

图9 SD卡指令格式

　　SD卡指令的两位"01"是SD卡指令的开始标志，一位"1"是结束标志。6位的指令是SD卡的指令序号，例如CMD17的6位指令即17的二进制表示"010001".指令参数占4个字节，具体内容参照SD卡规范。7位CRC校检的生成多项式为G（x） = x^7 + x^3 + 1.事实上SD卡在进入SPI模式后，SD卡不再通过CRC码来确认指令的传输正确与否，指令中的7为CRC校检只在SD模式下起作用。因此仅是SD卡上电后的条切换SPI模式指令CMD0需要校检码，而此校检码是固定的0x95,其他指令的CRC均置"1"即可。

　　SD卡响应有四种格式，不同指令对应不同响应，具体内容可参看SD卡规范。

　　3.SD卡读写驱动

　　（1）SPI时序模拟。

　　用软件来模拟SPI总线的具体方法是：将SCK的初始状态置"0",允许接收后（即CS置"0"）将SCK置"1",这样单片机由DI线输出一位数据到SD卡；接着再将SCK置"0",单片机由DO线从SD卡读到一位数据。至此，模拟1位数据输入输出便完成。此后再将SCK置"1",依次循环8次，完成SPI总线1个字节数据的输入输出。

　　以下是本系统软件模拟SPI时序的部分C语言代码：

　　（2）SD卡的初始化。

　　SD卡的初始化流程图，如图10所示。SD卡上电延时74个时钟周期后，单片机向SD卡发送复位命令CMD0使SD卡进入SPI模式，之后循环发送激活SD卡指令CMD1直到接收到SD卡响应的第0位为"0".

图10 SD卡初始化流程

　　（3）SD卡数据块的读写。

　　完成SD卡的初始化后，就可以对SD卡进行读写操作。读写操作都是通过指令来完成的：单块写命令CMD24,多块写命令CMD25;单块读命令CMD17,多块读命令CMD18.单块读写时，数据块的长度为512字节，多块读写时SD卡收到一个停止命令CMD12后停止读写。图11和图12分别是SD卡单块读、写的SPI时序图，图13和图14分别是单块读、写SD卡的软件流程图。

图11 单块读时序图