基于單片機的溫濕度控制系統

閆俊強 喬志偉 陳泳安

【摘要】51單片機是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成果。使用51單片機能夠實現溫濕度全程的自動控制，而且易于學習、掌握，性價比高。使用單片機設計溫濕度控制系統，可以及時、精確的反映室內的溫度及濕度的變化，完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內保持溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。 ? ?本文利用51單片機設計一個溫室的溫濕度控制系統，對給定的溫濕度進行控制并實時顯示，其中溫濕度信號各有四路，系統采用一定的算法對信號處理以確定采取某種控制手段，在本系統中采用溫度優先模式，循環處理。

【關鍵詞】單片機;溫濕度;LCD顯示;ADC0809

引言

溫濕度的檢測與控制是工業生產過程中比較典型的應用之一，在生產中，溫濕度的高低對產品的質量影響很大。國內外對溫濕度檢測的研究，從復雜模擬量檢測到現在的數字智能化檢測越發的成熟，隨著科技的進步，現在對于溫濕度研究，檢測系統向著智能化、小型化、低功耗的方向發展。

AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容[1]。本設計以此為出發點，用新型的智能集成溫溫度傳感器SHT10主要實現對溫度、濕度的檢測，將溫度濕度信號通過傳感器進行信號的采集并轉換成數字信號，再運用單片機AT89C51進行數據的分析和處理，為顯示和報警電路提供信號，實現對溫濕度的控制報警。根據工作環境要求設定系統的溫濕度閾值，利用1602液晶顯示屏實時地測量顯示環境的溫濕度值，實現溫濕度自動控制，使其在較寬的溫度范圍內具有較高的測試精度，同時還可以根據預設定報警閾值報警，一旦發現環境溫濕度超限，立即報警。

1.系統總體方案設計

1.1 設計內容

用新型的智能集成溫溫度傳感器SHT10主要實現檢測溫度、濕度的檢測，將溫度濕度信號通過傳感器進行信號的采集并轉換成數字信號，再運用單片機AT89C51進行數據的分析和處理，為顯示和報警電路提供信號。設定模塊主要為設定溫濕度報警的閾值[2]。如圖1所示。

圖1 設計模塊圖

1.2 方案選擇

1.2.1 溫濕度傳感器的選擇

采用數字式傳感器，起初選擇DS18B20和SHT10作為溫度和濕度測量元件，但是SHT10包含相對濕度傳感器、溫度傳感器，所以把SHT10作為溫濕度檢測的一個整體。SHT10作為典型的溫濕度傳感器，在測量過程中可對相對溫濕度進行自動校準，準確的測量溫濕度。產品互換性好，相應速度快，抗干擾性強，不需要外部參考源和外部器件[3]。

綜上所述，SHT10與溫濕敏元件的溫濕度測量以及模擬測量的元器件相比，起數字溫濕度傳感器低成本，內部集成復雜，測量準確，而且能夠提供數字輸出，簡化外部測量電路，精度高，適用廣泛的測量范圍，并且本設計的溫濕度檢測系統相適合。因此，選擇溫度濕度傳感器SHT10作為此次設計中的測量元件。

1.2.2 顯示器的選擇

方案一：數碼管顯示，數碼管按段數分為七段數碼管和八段數碼管，其驅動方式分別為靜態驅動和動態驅動，靜態驅動編程簡單，顯示亮度高但是占用I/O端口多，在十幾應用時必須增加譯碼器驅動進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。動態電路是最廣泛的顯示方式之一，其能夠節省大量的I/O端口，而且功耗低。針對數碼管，其顯示單調不具備數據的直觀性[4]。

方案二：LCD1602液晶顯示，具有字符發生器ROM可顯示192種字符（160個5?7點陣字符和32個5*10點陣字符）具有64個字節的自定義字符RAM，可自定義8個5?8點陣字符或四個5*11點陣字符。具有80個字節的RAM，標準的接口特性，適配M6800系列MPU的操作時序。模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易，像素尺寸小，分辨率高。

綜上，選擇LCD1602能夠把溫濕度很直觀的顯示出來，能夠在設定閾值時更能簡潔明了，所以選擇LCD1602為顯示元件。

3.系統的硬件選擇及設計原理

3.1 溫濕度傳感器SHT10

SHT10的供電電壓范圍為2.4～5.5V， 建議供電電壓為3.3V。在電源引腳（VDD，GND）之間須加一個100nF的電容，用以去耦濾波。SHT10的串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優化處理。傳感器不能按照I2C 協議編址，但是如果I2C 總線上沒有掛接別的元件，傳感器可以連接到I2C 總線上，但單片機必須按照傳感器的協議工作。SCK 用于微處理器與SHT10之間的通訊同步[5]。

3.2 單片機選擇與介紹

本系統控制電路的核心器件采用的是美國ATMEL生產的AT89C51單片機屬于MCS-51系列。

3.2.1 AT89C51芯片介紹

89C51是Intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（內部數據總線為8位，外部數據總線為8位），它與MCS-96系統中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售價低廉、使用方便（48PINDIP）等優點。89C51在工業應用方面有許多明顯的特點，它具有靈活方便的8位總線外圍支持器擴展功能，而在數據處理方面又有8位微機的快速功能。由于大的高度集成化已把許多常駐用的輸入檢測輸出控制通道都制作在同一塊硅片上，大大地靈活了外部連線，增強了系統的穩定性并且速度快（時鐘12MHz），非常適合于工業環境下安裝使用。因此本系統CPU選用89C51芯片。

3.2.2 復位電路

RST引腳是單片機復位端，高電頻有效。在引腳端輸入至少連續兩個單片機周期的高電頻，單片機復位。使用時，在引腳與VSS引腳之間接一個10KΩ的下拉電阻，與VCC引腳之間接一個約10μF的電解電容，即可保證上電自動復位。

3.2.3 晶振電路

在單片機電路中晶振的作用非常大，結合單片機內部的電路，產生單片機所必需的時鐘頻率，單片機的一切指令的執行都是建立在晶振的基礎上。

晶振利用一種特殊的晶體，在電能和機械能之間相互轉化產生共振，提供穩定精確的單頻震蕩，為系統提供基本的時鐘信號。

3.2.4 顯示電路

本設計顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測溫濕度值并且顯示控制界面。TC1602實物圖如圖3.10所示。

LCD1602顯示器主要特點：

液晶顯示屏是以若干個5*8或5*11點陣塊組成的顯示字符群。每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度。

具有80個字節的RAM，標準的接口特性，適配M6800系列MPU的操作時序。模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易，像素尺寸小，分辨率高。顏色分單色（黑白）、彩色兩種。

為便于夜間觀察，可采用由LED或ELD器件構成的背景光源。液晶顯示器屬于被動發光型顯示器件，它本身不發光，只能反射或透射外界光線，因此環境亮度越高，顯示越清晰。其亮暗對比度可達100：1。單+5V電源供電，采用交流驅動方式[6]。

使用時，可將P0與LCD的數據線相連，P2口與LCD的控制線相連，其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。

這里要注意的是，為了布線方便，單片機端的D0～D7是接到LCD/602的D1～D0，（下轉第24頁）（上接第22頁）正好相反，因此在編寫軟件時需要做處理，使讀取正確。

3.2.5 報警電路

本設計采用的是聲光報警，設定報警的上下限值實現報警功能，使用單片機的中斷系統。

根據單片機接收到的數據經過處理后與該參數設定的上下限進行比較，高于上限值（或低于下限值）則進行報警，同時能進行正常的顯示。

報警電路中，以紅色LED和蜂鳴器構成，在輸入溫濕度的上下限后，系統會進行實時采樣，并判斷測試溫濕度與輸入溫濕度之間的差異，當檢測出的溫濕度在設定的溫濕度上下限外就會報警，即紅色LED亮，同時蜂鳴器響。

4.軟件設計

整個系統的功能是由硬件電路配合軟件程序來實現的，從軟件的功能不同，可以分為兩的類：一是主程序，它是整個軟件的核心，專門用來協調各個執行模塊和操作者的聯系。二是子程序，它是用來完成各種實質性的工作的，如測量、計算、顯示、通訊等，每一個執行軟件就是一個小的執行模塊。

主程序模塊：

主程序主要完成硬件初始化，子程序調用等功能。

在主程序中，對溫濕度傳感器，LCD1602液晶顯示器的初始化，同時調用傳感器數據，進行顯示，之后進行閾值判斷并啟動報警裝置。主程序執行流程如圖2所示。

圖2 主程序模塊

5.調試

軟件調試：

軟件調試主要使用Proteus軟件和Keil C51軟件。在軟件調試中，首先在繪制電路圖，并設置各元器件的參數。然后在Keil C51軟件編寫程序，并編譯后輸入PROTEUS中進行仿真。

仿真結果如圖3所示。

6.小結

在設計中，主要是以AT89S51單片機為核心的，對溫度和濕度的檢測與控制智能化進行了簡單的設計與闡述。對MCS-51單片機系統的溫濕度檢測控制原理與結構進行了論述。本次設計可以說是軟硬結合，又以硬件為主，軟件程序為輔。給出了檢測系統與控制系統的各部分電路以及相對應的程序。采用模塊化、層次化設計。用新型的智能集成溫溫度傳感器SHT10主要實現對溫度、濕度的檢測，將溫度濕度信號通過傳感器進行信號的采集并轉換成數字信號，再運用單片機AT89S51進行數據的分析和處理，為顯示和報警電路提供信號，實現對溫濕度的控制報警。報警系統根據設定報警的上下限值實現報警功能，顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測溫濕度值。實驗證明該設計系統實現了對環境溫濕度精確控制，達到了相應的效果，系統電路簡單、集成度高、工作穩定、調試方便、檢測精度高，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]沙占友.智能化集成溫度傳感器原理與應用[M].機械工業出版社，2002.2-5.

[2]沙占友，葛家怡，馬洪濤，等.集成化智能傳感器原理與應用[M].電子工業出版社，2004.74-81.

[3]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M].北京航空航天大學出版社，2007.114-126.

[4]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京航空航天大學出版社，2000.189-214.

[5]白靜.數字電路與邏輯設計[M].西安電子科技大學出版社，2009.37-56.

[6]何希才.常用傳感器應用電路的設計與實踐[M].科學出版社，2007.165-170.