基于SHT11溫濕度遠程監控系統設計

秦迎春，秦 瑞

（1.廣東白云學院 電氣與信息工程學院，廣東 廣州 510450；2.新澤西理工 美國新澤西州 紐瓦克 07103）

溫濕度控制在日常生活和工農業生產中的運用非常廣泛，本系統采用SHT11溫濕度復合傳感器是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校準數字信號輸出，其外形尺寸僅為7.65×5.08×23.5 mm，體積與火柴頭相近，SHT11采用串行接口，它的分辨率可以根據對現場的采集速率而進行調整，一般情況下默認的測量分辨率分別為 14 bit（溫度）、12 bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至12 bit和8 bit，對溫度的量程范圍：-40～123.8℃， 濕度的量程范圍：0～100%RH，采用該芯片使本系統構成更趨于簡單化同時本系統還使用單片機控制TC35（廉價的GSM模塊）發送、接收GSM短信實現溫濕度的遠程監控。

1 控制原理

本系統主要由控制器、測量、通信、顯示、鍵盤5部分組成，單片機控制芯片內部定時器每隔一定的時間對溫濕度進行一次采樣，產生一次中斷并對采樣的溫濕度值進行計算，然后系統利用單片機串口與GSM模塊以通用異步收發器形式通信，完成溫濕度值通過手機短消息的方式，發送到集中監控中心或工作人員的手機終端，從而實現了遠程監控溫濕度的變化，其系統總體結構如圖1所示。

1.1 控制模塊采用AT89C2051單片機

單片機控制模塊是本系統的核心，通過外圍電路對溫濕度采集和向GSM模塊寫入相關程序，控制部分要實現能夠控制GSM模塊短消息的接收和發送、接收溫濕度值并進行計算、設置相關的工作模式等各項參數的功能。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

AT89C2051是ATMEL公司生產的廉價高性能8位單片機，采用80C31內核指令系統，與MCS－51完全兼容，內含2k字節的Flash可作為用戶程序存貯器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），采用20引腳封裝，縮小了體積，并內含2個程序加密位，可防止程序的非法讀出，安全性能好。它的低電壓、高性能CMOS的8位機與MCS—51指令和輸出腳兼容，可以構成一個最小的測量系統。但它只有20個引腳，15個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個完整的8位雙向I/O口，兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數器，兩個全雙工串行通信口，一個模擬比較放大器，同時AT89C2051的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設置的睡眠省電功能，系統的喚醒方式有RAM、定時/計數器、串行口和外中斷口，系統喚醒后即進入繼續工作狀態。省電模式中，片內RAM將被凍結，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統被硬件復位方可繼續運行。

1.2 采用SHT11完成溫度、濕度測量

SHT11溫濕傳感器[1]包括一個電容式聚合體測濕元件和一個用能隙材料制成的測溫元件，它操作比較簡單，只需用一組“啟動傳輸”時序，就能實現傳感器數據傳輸的初始化，同時，在測量和通信結束后，SHT11會自動轉入休眠模式，這大大的減少了功耗，SHT11的主要特點是：

1）將溫濕度傳感器、信號放大調理、A／D轉換、I2C總線接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技術）；

2）可給出全校準相對濕度及溫度值輸出；

3）帶有工業標準的I2C總線數字輸出接口；

4）具有露點值計算輸出功能；

5）具有卓越的長期穩定性；

6）濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；

7）小體積（7.65×5.08×23.5 mm），可表面貼裝；

8）具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能；

9）片內裝載的校準系數可保證100%互換性；

10）電源電壓范圍為 2.4～5.5 V；

11）電流消耗，測量時為 550μA，平均為28μA，休眠時為 3μA。

SHT11的濕度檢測運用電容式結構，并采用具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起而構成了一個單一的個體，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和單片機連接，因而測量精度較高且可精確得出露點，同時不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差，SHT11內部結構如圖2所示[2]。

圖2 SHT11內部結構圖Fig.2 Internal structure diagram of SHT11

SHT11引腳說明：VDD－電源引腳其工作電壓是2.4～5.5 V，DATA—串行數據引腳；SCK—串行時鐘輸入，GND－接地端。SHT11測量過程[3]包括啟動傳輸、發送測量命令、等待測量完成和讀取測量數據。

1.3 GSM模塊采用TC35

TC35[4]是Siemens公司推出的無線通信GSM模塊自帶RS232通訊接口，可以方便地與PC機、單片機連機通訊。TC35模塊的工作電壓為3.3～5.5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W（900 MHz）和1 W（1 800 MHz）。模塊有豐富的AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4 k，4.8 k，9.6 k的非透明模式。

TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成。作為TC35的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。

TC35模塊有40個引腳[5]，通過ZIF連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數據輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。IGT端是TC35模塊的啟動端，系統加電后為使TC35進入工作狀態，必須給IGT加一個大于100 ms的低脈沖，電平下降持續時間不能超過100 ms，啟動后IGT應保持高電平（3.3 V）。同時還要考慮TC35作為數據通信設備來連接，它的RXD0引腳與單片機的RXD引腳連接，它的TXD0與單片機的TXD引腳連接才能進行數據交換，此外，單片機的串口是TTL電平，而TC35是采用CMOS電平，應接電平轉換器件MAX232，實現電平轉換及串口通信功能，系統硬件主要連接如圖3所示[6]。

圖3 系統硬件連接Fig.3 System hardware connection

使用TC35收發短信息，采用用戶識別模塊SIM，用戶必須準備一張已開通短信息服務SIM卡，SIM卡上包含了所有的用戶信息。個人識別碼PIN可以防止SIN卡未經授權而使用，每當移動用戶開機時，GSM系統先要自動鑒別用戶的合法性，只有在系統認可之后，才為該移動用戶提供服務。TC35使用外接SIM卡座，SIM卡座上有6個引腳分別接到T35的模塊 SIM 的 CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCIO，ZIF 連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。

TC35I模塊的通訊全部采用AT+XXX指令完成，可以用AT指令切換操作模式，可以使它處于數據、語音傳輸、短消息服務和傳真。

單片機可以通過正確的AT指令對TC35模塊進行初始化，例如單片機向TC35發送AT回車后，檢測TC35的返回值：若是“OK”則連接正確，若是“ERROR”則是連接錯誤。然后才能進行短消息的接收和發送。本模塊采用PDU支持中文模式，所以本系統使用PDU模式進行短消息的接收和發送[6]。

2 系統軟件設計

系統的軟件主要采用模塊結構，溫濕度的整個測控過程及遠程監控由主程序、短消息收發的子程序、溫濕度測量子程序、定時中斷子程序、顯示子程序等完成。各功能模塊只有一個入口和出口，各模塊間相對獨立，避免某功能模塊出現異常而導致整個系統癱瘓的故障發生。AT89C2051單片機對TC35模塊進行通信，其中初始化的工作包括設置波特率、網絡登錄、設置發送短消息的模式為PDU。然后單片機通過向TC35寫入不同的AT指令，能完成多種功能，如網絡注冊、讀取SIM卡上電話號碼、發送短信息、接收短信息、刪除短消息等。這里只給出主程序流程、短消息收發子程序的流程、溫濕度測量子程序，如圖4～圖6所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 短消息收發子程序的流程Fig.5 Short message transceiving program flow

圖6 溫濕度測量子程序Fig.6 Temperature and humidity measurement subroutine

3 結束語

本系統適用于無人值守的溫濕度的遠程監控系統，在監測區域內能對溫度和濕度進行數據采集工作，測濕精度為±3.0%RH，在溫度為25℃時測溫精度為±0.4℃，靈敏度高，具有極高的安全性、可靠性和長期穩定性，又由于SHT11傳感器直接輸出數字信號，系統硬件設計簡單。

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