基于單片機(jī)技術(shù)的智能溫濕度控制系統(tǒng)

張海紅,史丹青,武建衛(wèi),郭夕琴

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京,211135）

1 緒論

1.1 課題研究的背景和意義

在測(cè)量的對(duì)象領(lǐng)域內(nèi)，溫度和濕度是非常重要的。無(wú)論是人類的生存，還是生活環(huán)境，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，軍事，氣象觀測(cè)，溫度的測(cè)量和控制以及濕度的測(cè)量和控制都是很重要的環(huán)節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器和傳感器材料技術(shù)的進(jìn)步，溫度和濕度檢測(cè)都取得了跨越式發(fā)展。對(duì)溫度和濕度的測(cè)量與監(jiān)控也是十分有意義的。

1.2 課題研究的目標(biāo)與方案

通過(guò)對(duì)智能溫濕度傳感器特性的研究,設(shè)計(jì)出合理的硬件電路,編寫高效的處理器軟件，顯示溫濕度信息，然后根據(jù)溫濕度信息控制加熱換氣裝置。溫濕度信息由傳感器的敏感元件獲得，其輸出經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大、線性化、去除干擾等并獲得與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的模擬信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為微處理器可接受的數(shù)字信號(hào)。以單片機(jī)為核心的軟硬件處理電路對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行編程處理后輸出到顯示模塊，實(shí)時(shí)反映溫濕度值。瑞士Sensiri-on公司生產(chǎn)的SHT11是具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對(duì)溫度和濕度傳感器。它將傳感器技術(shù)與CMOS芯片技術(shù)相融合，可用來(lái)測(cè)量零點(diǎn)、相對(duì)溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免標(biāo)定、免外圍電路、免調(diào)試及全互換的特點(diǎn)，最終為開發(fā)高精度、高可靠性、高集成度的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)提供了解決方案。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，首先通過(guò)SHT11溫濕度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)SHT11溫濕度傳感器自身的A/ D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼；再通過(guò)51單片機(jī)利用LCD1602顯示當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度值,同時(shí)設(shè)置上下限；當(dāng)前溫濕度超過(guò)預(yù)設(shè)最高上限時(shí)，報(bào)警并且燈亮，同時(shí)啟動(dòng)加熱換氣裝置工作；當(dāng)溫濕度低于預(yù)設(shè)最低下限時(shí)，報(bào)警并且燈亮，同時(shí)啟動(dòng)加熱換氣裝置工作。可以根據(jù)不同的要求設(shè)置不同的越限值從而使其寬廣的測(cè)溫濕度范圍能夠廣泛地應(yīng)用到溫濕度監(jiān)測(cè)當(dāng)中去。

2.2 溫濕度采集

2.2.1 SHT11簡(jiǎn)介

瑞士Scnsirion 公司推出的SHT11是一款集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。因此在進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)采用SHT11傳感器，就具備成本低、體積小、精度高、接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。而且SHT11芯片的抗干擾能力也比同類芯片高，因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)部集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器，且采用了數(shù)字信號(hào)輸出。

2.2.2 SHT11與單片機(jī)的接口電路

MCU（單片機(jī)）和SHT11傳感器通信采用串行二線接口DATA和SCK,其中DATA為數(shù)據(jù)線，SCK則為時(shí)鐘線，然而I2C協(xié)議與該二線串行通信協(xié)議是不兼容的。在程序開始時(shí)，MCU需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)。如圖2-3所示，當(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)榈碗娖剑S后又變?yōu)楦唠娖剑辉赟CK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。

圖2-3 數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)時(shí)序

如圖2-4所示，為SHT11傳感器與單片機(jī)的接口電路。SHT11只有二個(gè)引腳，一個(gè)數(shù)字串行引腳接單片機(jī)P1.0口，SCK引腳接單片機(jī)P1.1口。電源與數(shù)字串行引腳間要接一個(gè)4K的電阻R2。R2是上拉電阻，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P1口驅(qū)動(dòng)能力有限，目的是為了使傳感器接收的數(shù)據(jù)能夠可靠的進(jìn)行。

圖2-4 SHT11與單片機(jī)接口電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，很大程度上取決于功能完善、算法先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)是以AT89C52為硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、報(bào)警模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度的采集、數(shù)據(jù)處理A/D轉(zhuǎn)換，報(bào)警模塊包括報(bào)警指示和報(bào)警處理。數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的傳感器發(fā)出的模擬信號(hào)采集到單片機(jī)。數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)對(duì)接收到的采樣信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理轉(zhuǎn)換、最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、驅(qū)動(dòng)顯示等，軟件系統(tǒng)框圖如下圖所示：

這些程序相互獨(dú)立，在主程序中依次被調(diào)用。單片機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)，對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集即可得到數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)通信、驅(qū)動(dòng)顯示、驅(qū)動(dòng)運(yùn)行等；顯示部分主要用LCD顯示，LCD由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖

3.2.1 主程序流程圖

主程序是設(shè)計(jì)的主體，是由功能不同的子程序組成。本系統(tǒng)主程序的運(yùn)行如下操作：串口初始化，完成初始化操作后，循環(huán)掃描鍵盤，當(dāng)有相應(yīng)按鍵時(shí)對(duì)應(yīng)不同的功能，SHT11開始采集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)LCD1602數(shù)碼管顯示讀數(shù)，判斷溫濕度是否超出設(shè)定范圍，如若超出則報(bào)警，并且報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)加熱換氣電路。主程序流程圖如圖3-2所示。

圖3-2 主程序流程圖

圖3-3 報(bào)警電路程序流程圖

3.2.2 報(bào)警電路程序流程圖

報(bào)警模塊具備兩項(xiàng)功能，即為報(bào)警燈和聲音報(bào)警。聲音報(bào)警是從聽覺上提醒用戶，而報(bào)警燈則是從視覺上提醒用戶。當(dāng)讀取的溫度值超過(guò)上下限時(shí)，紅燈亮并且報(bào)警，當(dāng)濕度值超過(guò)上下限時(shí)，黃燈亮并且報(bào)警。流程圖如圖3-3所示。

3.2.3 SHT11讀取溫濕度程序流程圖

單片機(jī)與SHT11進(jìn)行通信是采用的二線串行數(shù)字接口，需要用單片機(jī)的I/0口模擬通信時(shí)序，因?yàn)樵撏ㄐ艆f(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的。對(duì)于SHT11的控制，MCU是通過(guò)5個(gè)六位命令代碼實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義分別是：00101：測(cè)量濕度；00011：測(cè)量溫度；00110：寫內(nèi)部狀態(tài)寄存器；00111：讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器；11110：復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值；其他的來(lái)設(shè)置分辨率。

程序開始首先對(duì)溫濕度傳感器SHT11進(jìn)行初始化，檢測(cè)是否正常工作，然后單片機(jī)發(fā)出指令與SHT11連接測(cè)量溫濕度，接著溫濕度傳感器SHT11進(jìn)行溫濕度計(jì)算以及A/D轉(zhuǎn)換，再發(fā)送給主機(jī)，并反復(fù)調(diào)用復(fù)位、寫入及讀取數(shù)據(jù)子程序，之后再經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由數(shù)碼管顯示出來(lái)，不斷循環(huán)。流程圖如圖3-4所示

圖3-4 SHT11讀取溫濕度程序流程圖 圖3-5 LCD1602顯示溫濕度程序流程圖

3.2.4 LCD1602顯示溫濕度程序流程圖

圖4-2 對(duì)話框

程序首先對(duì)LCD1602初始化，檢查是否忙碌，如果不忙碌則主機(jī)發(fā)送模式設(shè)置指令或顯示指令寫入LCD1602中，然后指定字符顯示的實(shí)際地址，將數(shù)據(jù)寫入LCD1602中，顯示溫濕度。流程圖如圖3-5所示

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

本設(shè)計(jì)的硬件仿真由Protues軟件實(shí)現(xiàn)，軟件調(diào)試由Keil C51軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)的仿真。

4.1 硬件設(shè)計(jì)仿真結(jié)果圖

4.1.1 系統(tǒng)仿真

（1）在Protues仿真軟件中，分布好元器件，連接好電路圖，電路圖如圖4-1所示。

（2）運(yùn)用Keil uVision4編程軟件進(jìn)行C語(yǔ)言編程，運(yùn)用模塊化的程序設(shè)計(jì)思路對(duì)不同功能模塊的程序進(jìn)行分別編程，以便移植或調(diào)用，這樣使軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，有利于軟件的調(diào)試修改。編程完成之后，選擇Project——Build target，編譯程序，編譯結(jié)果如圖19所示

（3）在Protues選中單片機(jī)芯片，在彈出的對(duì)話框中選中Program File的文件夾圖標(biāo)。對(duì)話框如圖4-2所示。

（4）在彈出的對(duì)話框里選中剛剛生成的HEX文件，點(diǎn)擊OK。即可將HEX文件加載到單片機(jī)芯片中。

4.1.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖所示。LCD液晶顯示分別顯示、“Temp：****”、“Humi ：****”，其中“****”為測(cè)定的數(shù)據(jù)。按鍵一下，顯示“溫度上下限和測(cè)量值”，再次按鍵顯示“濕度的上下限和測(cè)量值”。

溫度在25℃-75℃之間屬于正常情況，低于25℃高于75℃都不是正常情況。

濕度在25%RH-65%RH之間屬于正常情況，低于25%RH高于65%RH都不是正常情況

（1）正常溫濕度區(qū)間內(nèi)：

圖4-1 硬件設(shè)計(jì)仿真結(jié)果圖

正常顯示，沒有報(bào)警

（2）超過(guò)正常溫度和濕度上下限

超出預(yù)設(shè)溫度上下限，紅燈亮，蜂鳴器響，加熱換氣裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。

超過(guò)預(yù)設(shè)濕度上下限，黃燈亮，蜂鳴器響，加熱換氣裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）系統(tǒng)上下限顯示

溫度范圍為25-75℃，濕度范圍為20-65%RH量顯示

圖4-4 系統(tǒng)溫度上下限及測(cè)量顯示

圖3-1 軟件系統(tǒng)框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由于該系統(tǒng)采用的核心是高效單片機(jī)，主要的采集與測(cè)量系統(tǒng)是集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的SHT11，自帶A/D轉(zhuǎn)換器，從而該溫濕度控制儀具有體積小、成本低、精度高、接口簡(jiǎn)單及良好抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，再加上優(yōu)化程序，一定意義上本系統(tǒng)具有了很高的實(shí)用性。

圖4-3 正常時(shí)仿真結(jié)果圖

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