基于單片機的圖書館溫濕度遠程控制系統設計

李 娜，張明玉，汪材印

（宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000）

文獻保護工作者曾多年致力于溫濕度對紙質文獻材料的影響與文獻儲藏適宜溫濕度的研究.溫濕度對紙質文獻有紙質強度變化、變形、老化等直接損害，也有促發光、酸、有害氣體等外界因素對紙質文獻損害，蟲毒發生等間接影響[1].圖書館工作經驗證明，保護圖書的較適宜的溫度為14～20℃，相對濕度為50%～65%[2].

圖書館溫濕度的監控是實現紙質文獻完好儲藏的關鍵環節.因而，各種以熱電偶、鉑電阻作為傳感器的溫濕傳送器和數字溫濕度計普遍使用.在這些情況下，多采用有線連接方式采集信號及傳輸數據，這雖然滿足了測溫目的，但存在電纜布線、后期維護成本高、應用不靈活等一些問題.基于nRF401芯片的溫濕度無線數據采集系統，設置方便，不需布線即可采集數據，成本低，克服了有線網絡存在的缺點[3].

1 系統設計

該系統由溫濕度數據采集、無線收發、單片機數據處理以及微機數據顯示組成.數據采集發送部分主要是以單片機AT89S51作為核心主機，以單片智能化濕度/溫度傳感器SHT11/15作為從機加上數據無線發送模塊nRF401組成.無線接收模塊接受數據并發送給單片機，由單片機將數據通過并行口發送給計算機，計算機對數據進行處理和顯示.同時，單片機判斷溫濕度并驅動執行機構（加熱器、加濕器、通風窗）對圖書館溫濕度進行實時調控.當溫度傳感器檢測到溫濕度低于設定下限時，單片機驅動加熱器、加濕器對其加熱、加濕，當溫度高于設定上限時，單片機發出控制指令，使加熱器、加濕器停止加熱、加濕，并開啟通風窗對其通風冷卻.系統組成框圖如圖1.

圖1 系統組成框圖

2 硬件電路設計

硬件電路的設計[4]是整個系統設計的核心內容.系統的硬件設計，主要包括核心控制單元AT89S51；測量部分由SHT11/15單片智能化溫度/濕度傳感器組成；nRF401無線通信收發芯片；PC上位機.主控電路如圖2所示.

圖2 主控電路

2.1 AT89S51單片機

本設計采用Atmel公司生產的可電氣燒錄清洗的AT89S51單片機，它是一種帶4K字節FLASH存儲器，低電壓、高性能CMOS 8位微處理器.具有四個4個8位可編程并行I/O口，2個可編程16位定時器，中斷系統具有五個中斷源[3].功能強大的微型計算機AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案.

2.2 單片智能化溫度/濕度傳感器SHT11/15

本設計使用瑞士Sconsirion公司推出的一款單片智能化溫度/濕度傳感器SHT11/15.該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域.SHT11/15作為從機與主機單片機相連，連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與SHT11/15的雙向通信.在使用中不需要任何外圍元件，被測溫度濕度可通過編程實現9～12位的數字方式串行輸出，測溫濕范圍大、精度高.有數據線寄生供電和外部供電兩種方式，以及64位序列號存儲在其內部的ROM存儲器中.多個SHT11/15還可以并聯在同一總線上，實現多點測量.

SHT11/15測溫范圍為－40℃～＋123.8℃，精度為±0.1℃；相對濕度的測量范圍是0%～99.99%，測量精度為±2%RH，分辨力為0.01%RH[5].圖3為SHT11/15與單片機構成的檢測系統電路框圖.其中SHT11/15芯片1號引腳接地，4號引腳接+2.5V～5.5V電壓，2、3號引腳與單片機P1.0、P1.1引腳相連，傳送DATA、SCK信號.

圖3 檢測系統電路框圖

2.3 nRF401無線收發電路

nRF401芯片是挪威Nordic公司最新推出的一款傳頻段433MHz的單片智能收發芯片，它集中了高頻收發、PLL合成、FSK解調和多頻道切換等功能，具有很高的性價比，使用方便.nRF401芯片外圍僅需接一個基準晶振和一些電阻、定容、電感等無源元件，沒有調試部件，功耗極低，給應用帶來便利[6].

圖4 nRF401與AT89S51連接

nRF401有休眠、接受、發射三種工作狀態,由nRF401的引腳PWR_UP,TXEN的狀態決定.DIN,DOUT是串行通信口，分別于單片機的串行通信口P3.0，P3.1相連，CS腳用來選擇工作頻率.nRF401與AT89S51連接如圖4所示.

2.4 PC上位機接收部分

圖5 上位機接收部分

此部分包括無線接收模塊nRF401、單片機、電平轉換模塊和PC.2號nRF401接收到數據后，單片機對其處理并發送給1號nRF401，通過繼電器以實現對圖書館溫濕度的控制.本系統中，nRF401使用的是TTL電平，串行通信協議RS-232使用的是負邏輯電平.為了實現兩者電平的匹配，需要使用MAX232進行電平轉換[7].PC機完成待發數據的組織和處理，向下位機發送數據傳輸命令，接收下位機發來的數據并顯示出來.上位機接收部分電路如圖5所示.

2.5 LCD1602顯示器

圖6 接收模塊流程圖

數據顯示模塊采用LCD1602，該顯示器內部具有字符發生器ROM，即字符庫.可以顯示192個5×7點陣字符.其顯示的數字和字母部分的代碼值，恰好與ASCⅡ碼的數字和字母相同.所以在顯示溫濕度時，只需向LCD送入對應的ASCⅡ碼即可[8].

3 系統軟件設計

AT89S51與SHT11/15間的通信為三部分：初始化SHT11/15，識別SHT11/15，交換數據.無線收發模塊由nRF401實現，可通過PWR_UP,TXEN設置狀態.其中PWR_UP=1,TXEN=1為正常發送狀態，PWR_UP=1,TXEN=0為正常接收狀態.采集模塊及收發模塊流程圖如圖6所示.

4 實驗結果

在工業技術類、經濟類、語言類圖書室里分別布置了3個信息采集子系統，對各個房間的溫濕度進行監測，將信息處理子系統布置在圖書管理員辦公室，對監測的數據進行實時存儲、分析和處理.

系統設置溫度范圍為14～20℃，相對濕度范圍為50%～65%.利用可控的加熱、加濕、通風裝置，對溫度傳感器進行了測試，隨機選取LCD1602上顯示的10個溫濕度值，實驗數據如表1所示.

表1 圖書室溫濕度測試結果

從表1可以看出：溫度測量的最大誤差是0.3℃，濕度測量的最大誤差為+0.2%RH，誤差范圍較小.實驗證明：當溫/濕度低于設定下限時，單片機驅動加熱器、加濕器對其加熱、加濕，當溫度高于設定上限時，單片機發出控制指令，使加熱器、加濕器停止加熱、加濕，并開啟通風窗對其通風冷卻.

5 小結

基于單片機的圖書館遠程溫濕度控制系統有以下優點:

(1)本系統機構簡單，溫度控制靈活、檢測準確.

(2)單片智能化溫度/濕度傳感器SHT11/15作為數據采集模塊，簡化了電路結構.

(3)無線傳輸部分nRF401不需要調試部分，使用方便.

(4)上位機提供人機交互界面，方便用戶讀數.

(5)軟件設計采用C語言，可移植性好，結構嚴謹，開發速度快，大大減少了軟件開發的時間，具有一定的使用價值.

(6)該系統實現了遠程控制圖書館的溫濕度，便于接入其他傳感器，功能擴展性好.

〔1〕北京圖書館圖書保護研究組.對紙質文獻儲藏適宜溫濕度的探討[J].圖書館建設,1994(3):25-27.

〔2〕河北理工學院圖書館.溫度和濕度對圖書壽命的影響與陰雨季節的圖書保護[J].文獻保護研究,1996(1):24-25.

〔3〕李增祥,許麗娜,李業剛.nRF401在大棚溫度監控中的應用[J].湖北農業科學,2009,48(12):3143-3145.

〔4〕張友德.單片機原理與控制技術[M].上海:復旦大學出版社,1996.

〔5〕吳濤.無線溫、濕度倉貯自動測控系統的研究[D].南京理工大學,2007.

〔6〕王晶晶,張倩.基于nRF401的無線傳輸系統[J].電子測試,2008(9):83-86.

〔7〕鄔寬明.CAN總線原理和應用系統合計[M].北京:航空航天大學出版社,1996.

〔8〕張毅剛,彭喜元,彭宇.單片機原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2010.