溫濕度傳感器自動檢測系統的設計與實現

李政庭 吳偉雄 吳俊超 溫志凱

【摘? 要】本文以Arduino UNO為控制單元，以基于I2C總線的HDC1080為溫濕度測量單元，并通過1602顯示模塊實現數據顯示，設計了一款數字式溫濕度計，可實現對溫度、濕度信息的數字化采集，文章給出了系統的整體設計方案和原理框圖，并從硬件和軟件兩方面對溫濕度檢測系統的設計做了詳細說明。該溫濕度檢測系統精度高、功耗低、體積小、成本低。

【關鍵詞】Arduino UNO;I2C總線;HDC1080;溫濕度

溫度與濕度與人們的生活息息相關。尤其是在工農業生產、氣象、科研等部門，必須精確的對環境溫度進行檢測。傳統的干濕球溫度計的顯示方法，不僅復雜，測量精度也不高，響應速度慢，已不能滿足工農業生產和人們生活需求。而選用單片機和專用溫濕度數字芯片對溫濕度進行檢測，可以大大提高溫濕度檢測的精度。用顯示屏顯示溫度和濕度值，看起來也更直觀。本文設計了一種基于I2C總線數字式溫濕度芯片的溫濕度計。該溫濕度計采用一種新型的數字式溫濕度傳感器HDC1080，對溫濕度信號進行采集，并采用單片機Arduino UNO和1602液晶顯示屏組成電路，不需要復雜的A/D轉換電路就能直接完成數據采集，實現方便、精度高，可根據不同需要應用于各種場合。

1.系統結構

本系統主要由單片機系統模塊、數字式溫濕度采集芯片、LCD顯示模塊、報警模塊、電源模塊、通信模塊以及上位機系統組成。本系統設計的原理方框圖如圖1所示，由傳感器HDC1080與單片機Arduino UNO通過I2C總線連接組成測量電路，能夠實時檢測周圍環境的溫度和濕度，并把采集數據顯示在LCD1602液晶顯示屏上，當檢測溫度或濕度超過所設定的數值時報警模塊報警。同時，上位機對數據進行保存及發布。

2.I2C總線工作原理

I2C總線是由數據線SDA和時鐘線SCL構成可發送和接收數據的串行總線，SCL時鐘線用于控制數據傳輸速率，SDA用于收發數據及尋址，可進行雙向傳送，最高傳送速率可達400kbps。所有被控電路均并聯在總線上，每個電路和模塊都有唯一的地址，需要通過SDA發送的地址信號尋址。根據I2C串行總線規范，本文中HDC1080溫濕度傳感器的地址碼為0x40，LCD1604 I2C模塊的地址碼為0x27。

在時鐘線SCL保持高電平期間，數據線SDA上的電平被拉低（即負跳變），定義為I2C總線總線的開始信號，它標志著一次數據傳輸的開始。在時鐘線SCL保持高電平期間，數據線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的結束信號，它標志著一次數據傳輸的終止。I2C總線上的所有數據都是以8位字節傳送的，發送器每發送一個字節，就在時鐘脈沖9期間釋放數據線，由接收器反饋一個應答信號。應答信號為低電平時，規定為有效應答位，表示接收器已經成功地接收了該字節;應答信號為高電平時，規定為非應答位，一般表示接收器接收該字節沒有成功。起始和停止信號圖如圖2所示。

在I2C總線上傳送的每一位數據都有一個時鐘脈沖相對應，即在SCL串行時鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數據。進行數據傳送時，在SCL呈現高電平期間，SDA上的電平必須保持穩定，低電平為數據0，高電平為數據1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當使用獨立電源時）。數據位的傳輸是邊沿觸發。時序圖如圖3所示。

采用I2C總線傳輸的電路結構簡單，編程容易，通信速率高，易于實現用戶系統軟硬件的模塊化和標準化。基于I2C總線的優點，本文采用I2C總線的元器件對溫濕度值進行讀取及顯示，并且該設計方案可在I2C總線上掛多只傳感器，便于組網應用。

3.系統硬件設計

3.1 溫濕度測量電路

單片機是整個檢測系統的核心，它可以接收傳感器采集到的數據，將這些數據與程序中設定的溫濕度的范圍進行比較，得出溫濕度值。如果在這個范圍內，則會顯示環境中的溫濕度值，方便使用用戶進行觀測;但是，如果超出其安全范圍，則會觸發報警電路，告知用戶采取有效措施降低環境中溫濕度，保持環境中溫濕度的穩定。本設計采用Arduino UNO單片機作為控制器。Arduino單片機具有豐富的接口，有數字I/O口，模擬I/O口，同時支持I2C串口通信。并且能通過各種各樣的傳感器來感知環境，具有簡便的編程環境IDE，極大的自由度，可拓展性能也非常高。

溫濕度測量模塊采用HDC1080傳感器。HDC1080是一款使用I2C協議的數字式溫濕度傳感器，該傳感器將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其內部結構如圖4所示。HDC1080中的兩個敏感元件分別將溫度和濕度轉換成電信號，該電信號首先進入信號放大器進行放大，然后進入A/D轉換器，最后經過二線串行總線接口輸出數字信號。此外，校準系數存儲在寄存器中，在測量過程中，校準系數會自動校準來自傳感器的信號。

該傳感器不需要其他外加電路，直接輸出數字量，可直接與Arduino單片機連接，具有線路簡單、性能穩定、體積小的特點。并且該傳感器擁有±2%的典型濕度測量精度和±0.2℃的典型溫度測量精度，支持較寬的工作電源電壓范圍，以超低功耗提供出色的測量精度，具有低成本和低功耗的優勢。溫濕度傳感器HDC1080的I2C總線串行數據接口線SDA和串行時鐘接口線SCL是由單片機進行控制，以單片機作為主機，HDC1080作為從機并支持I2C總線協議的讀/寫操作命令。一條I2C總線可連接多個HDC1080，可實現多點的溫度測量系統。由于Arduino UNO單片機接口較少，可連接擴展板增加接口。

3.2 LCD顯示電路

目前，常見的顯示器分別為LED數碼管和LCD液晶顯示器。相比LCD顯示質量高，功耗低。因此，本設計采用液晶顯示器。考慮到該款數字式溫濕度計涉及溫度和濕度兩類數據，故本設計采用雙行顯示的1602字符型LCD。

3.3 報警電路

報警電路采用最簡單的嗡鳴方式，構造簡單，經濟實用性強，當檢測數值超過設定的安全的范圍值時，報警電路就會啟動，提醒用戶采取措施來調節溫濕度。

4.系統軟件設計

4.1主程序

首先，單片機通過I2C總線讀寫程序將溫濕度數據從HDC1080中讀取出來。然后，根據溫濕度補償公式計算出當前溫濕度值并送到LCD1602顯示。接著，單片機將溫濕度上下限與當前溫濕度值進行比較，若當前溫濕度值超出限值，單片機驅動蜂鳴器開始報警。

4.2溫濕度采集子程序

HDC1080上電時是無法主動測量的，要先對HDC1080進行初始化設置。設置HDC1080將先執行溫度測量，后進行濕度測量。首先，在寄存器地址0x02中配置采集參數，將位[12]設置為1，使采集模式設置為測量溫度和濕度，再設置所需的溫度和濕度測量分辨率。其次，通過執行指針寫入事務并將地址指針設置為0x00來觸發測量，將地址指針設置為0x00進行溫度測量，設置為0x01進行濕度測量。根據轉換時間等待測量完成，可讀取輸出數據。

本設計中單片機首先對連接在總線上的元器件進行地址識別。如果地址匹配，單片機向HDC1080發出啟動傳輸命令，然后通過寫總線子程序將溫度測量指令和濕度測量指令寫入HDC1080。HDC1080正確接收到溫濕度測量命令后，就會進行數據采集。等到測量完成，HDC1080向單片機傳送兩字節測量數據（MSB和LSB），單片機則通過讀總線子程序將溫濕度數據讀取出來。

4.3溫濕度顯示子程序

本設計采用1602液晶顯示溫濕度值，當剛開始上電時1602液晶不顯示任何數據，等待HDC1080的監測數據，雙行顯示在1602液晶上。第一行顯示：Temperature：--’C，第二行顯示：Humidity：-- %（子程序流程圖略）。

5.結語

為了實現對所處環境中溫濕度的測量，經過研究設計出了以Arduino單片機為中心處理系統的溫濕度檢測系統，實現了單片機與各個I2C接口元器件的數據傳輸，并給出了相應的子程序。此系統以數字式溫濕度傳感器HDC1080為檢測器件，電路結構簡單、運行可靠，能夠準確進行溫濕度的測量，測量數據準確性高。由于單片機程序只要載入就可以一直工作下去，測量周期長，使用壽命久，能夠一直實現對溫濕度的檢測。并且本設計在現有的基礎上可以根據用戶的需求在單片機模塊中增加數據存儲模塊、通信接口等，實現數據保存和上位計算機實現數據交換，作為智能儀表運用于工業生產和家用電器中，如洗衣機、烘干機等中。還可以連接Arduino擴展板增加檢測傳感器，從而提高系統應用的廣泛性。

參考文獻：

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[2]李群林.基于多傳感器的溫濕度檢測系統[J].中國儀器儀表，2006，11.

[3]趙娜等.基于51單片機的溫度測量系統[J].微計算機信息，2007，11.

作者簡介：

李政庭（1998.11-），男，漢族，江蘇省泰州市人，嘉興學院南湖學院本科在讀，主要研究方向：電氣工程及其自動化。

基金項目：

嘉興學院南湖學院大學生創新項目（編號：NH85179202）。

（作者單位：嘉興學院南湖學院）