基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

孫學(xué)智

(吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林132000)

對(duì)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的合理利用，能夠?yàn)闇厥掖笈镏械闹参锷L(zhǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)商品質(zhì)量形成良好的保障作用。工作人員可以通過(guò)對(duì)溫濕度范圍的科學(xué)設(shè)定，結(jié)合溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控與控制室內(nèi)溫濕度。然而，如何以單片機(jī)為依托，對(duì)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)系統(tǒng)功能的最優(yōu)化展現(xiàn)，值得廣大科研人員更為深入地探索。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制在工農(nóng)業(yè)及國(guó)防事業(yè)等諸多方面能夠呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。而AT89C51 單片機(jī)屬于最常用的控制芯片，在各領(lǐng)域獲得了良好的應(yīng)用效果，將其融入溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)出更好的控制效果。AT89C51 單片機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化檢測(cè)和控制，還易于工作人員學(xué)習(xí)和掌握，性?xún)r(jià)比相對(duì)較高。

1.1 功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所要達(dá)成的設(shè)計(jì)功能主要包括：①針對(duì)被測(cè)空間內(nèi)部溫濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用單片機(jī)對(duì)所獲溫濕度數(shù)值加以循環(huán)檢測(cè)、處理以及顯示，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)化、智能化檢測(cè)；②針對(duì)越限數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，以達(dá)到良好的控溫、控濕效果；③檢測(cè)設(shè)備需要具有良好的靈敏度、抗干擾度以及可靠度。溫度檢測(cè)范圍：0℃-60℃；溫度檢測(cè)精度±0.5℃；濕度檢測(cè)范圍0-100%RH；濕度檢測(cè)精度±2.5%RH。

1.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要以單片機(jī)作為其控制核心，同時(shí)配以溫濕度測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)以及通信技術(shù)等，將溫濕度傳感器當(dāng)作基本測(cè)量單元，組成溫濕度智能測(cè)量與控制系統(tǒng)。其基本組成包括溫濕度測(cè)量電路、控制電路、顯示電路以及報(bào)警電路。主要應(yīng)用的器件包括AT89C51 單片機(jī)、1602 顯示模塊、溫濕度傳感器AM2301、升降溫及增濕除潮器、LED 燈以及報(bào)警裝置等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

在AT89C51 單片機(jī)中配置有振蕩頻率，同時(shí)可以通過(guò)軟件設(shè)置完成省電模式。在空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)CPU 暫時(shí)停止工作，定時(shí)計(jì)數(shù)器、外中斷系統(tǒng)以及串行口等則繼續(xù)保持工作狀態(tài)，以掉電模式實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩器的凍結(jié)以保存RAM數(shù)據(jù)，暫停芯片的其他功能，直到外中斷激活或者硬件復(fù)位。依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，需要充分考量設(shè)計(jì)成本與系統(tǒng)整體精巧性，所以此系統(tǒng)主要應(yīng)用價(jià)格相對(duì)較低，且工作性能較為穩(wěn)定的AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。

2.2 時(shí)鐘電路

AT89C51 型單片機(jī)內(nèi)部各種功能部件在運(yùn)行過(guò)程中都將時(shí)鐘信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)，所以時(shí)鐘頻率會(huì)對(duì)單片機(jī)速度形成直接的影響，其電路質(zhì)量關(guān)乎系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。單片機(jī)內(nèi)部配置有高增益反相放大器，其輸入及輸出端分別為芯片引腳XTAL1 和XTAL2。它們會(huì)與石英晶體及微調(diào)電容之間實(shí)現(xiàn)跨接，繼而構(gòu)成具有較好穩(wěn)定性的振蕩器。

2.3 復(fù)位電路

復(fù)位屬于對(duì)單片機(jī)進(jìn)行的初始化操作，只需要給單片機(jī)復(fù)位引腳RST 添加大于兩個(gè)機(jī)械周期的高平，便能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。通常情況下，復(fù)位電路可以采取自動(dòng)復(fù)位或按鈕復(fù)位方式。上電復(fù)位主要是利用外部復(fù)位電路對(duì)電容進(jìn)行充電，在RST 引腳位置添加高電平信號(hào)，使此信號(hào)隨VCC 對(duì)電容充電過(guò)程漸漸回落。所以，為了確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效復(fù)位，要求EST 引腳中的高電平保持足夠長(zhǎng)時(shí)間。

2.4 傳感器

系統(tǒng)采用AM2301 傳感器，融合數(shù)字模塊采集與溫濕度傳感等新型技術(shù)，保證產(chǎn)品具備良好的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器中主要包含一個(gè)NTC 測(cè)溫元件與電容式感濕元件，使之與8 位單片機(jī)之間進(jìn)行連接。所以，此產(chǎn)品具備品質(zhì)良好、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)以及性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)主要以程序的形式在OTP 內(nèi)存中存儲(chǔ)，在傳感器檢測(cè)信號(hào)過(guò)程中需要對(duì)這部分校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行調(diào)用。采用單線制串行接口形式，因此系統(tǒng)集成更為簡(jiǎn)單而快捷。體積較小、功耗較低，其信號(hào)傳輸距離能夠達(dá)到20 米以上，適用于多種苛刻應(yīng)用環(huán)境。

2.5 報(bào)警系統(tǒng)

應(yīng)用紅綠燈LED 構(gòu)成系統(tǒng)報(bào)警模塊，經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)符合設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)處于綠燈顯示狀態(tài)；而經(jīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法符合設(shè)定范圍要求時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈作為報(bào)警提示。此外，應(yīng)用蜂鳴器完善報(bào)警系統(tǒng)配置，在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)法符合設(shè)定范圍要求時(shí)，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。

2.6 溫濕度控制系統(tǒng)

此系統(tǒng)的主要組成部分包括單片機(jī)、報(bào)警模塊、風(fēng)扇、升溫設(shè)備、噴霧設(shè)備及排潮設(shè)備。如果經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)法符合設(shè)定要求，會(huì)及時(shí)啟動(dòng)溫濕控制系統(tǒng)，以達(dá)到恒溫恒濕效果。風(fēng)扇用于所監(jiān)測(cè)空間內(nèi)的降溫工作；加熱設(shè)備主要用于加溫；噴霧設(shè)備用于加濕；排潮設(shè)備用于降低濕度。報(bào)警模塊（即雙色燈）負(fù)責(zé)超限報(bào)警，在溫度大于工作人員所設(shè)置的界限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，而雙色燈能夠在單片機(jī)控制之下呈現(xiàn)出有規(guī)律的切換狀態(tài)，同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警聲，起到對(duì)工作人員的提醒作用，以采取具有針對(duì)性的措施對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。

2.7 顯示模塊

液晶顯示的主要原理是結(jié)合液晶所具備的物理特性，利用電壓對(duì)其所顯示的區(qū)域加以控制，從而呈現(xiàn)出相應(yīng)的圖形。與其他顯示模塊相比，液晶顯示器具備厚度較小、全彩色顯示以及大規(guī)模集成電路驅(qū)動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)。在針對(duì)顯示模塊進(jìn)行初始化處理的過(guò)程中，需要先對(duì)其顯示模式進(jìn)行設(shè)置，顯示字符過(guò)程中光標(biāo)處于自動(dòng)右移狀態(tài)，則不需要進(jìn)行人工干預(yù)。在每一次將指令輸入時(shí)，都要分析顯示模塊處于忙碌狀態(tài)與否。相比之下，液晶顯示器功耗大部分來(lái)自于其內(nèi)部電極與驅(qū)動(dòng)IC 工作，所以耗電量要明顯低于其他類(lèi)型顯示器，節(jié)能效果良好。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)模塊

此模塊的主要功能在于溫濕度測(cè)量，并將模擬量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字量，屬于系統(tǒng)中最重要的模塊。溫濕度傳感器將所檢測(cè)模擬量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后傳送至單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)處理最終將溫濕度數(shù)值顯示于液晶屏之上。傳感器精度將會(huì)直接影響系統(tǒng)整體檢測(cè)和控制效果，所以本系統(tǒng)利用AM2301 型傳感器進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的有效采集。

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)上電之后，單片機(jī)先要完成對(duì)串口和顯示模塊的初始化，隨后讀取溫濕度傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息。針對(duì)數(shù)據(jù)作校驗(yàn)處理，倘若出現(xiàn)錯(cuò)誤（即不在設(shè)定范圍內(nèi)）要進(jìn)行重新讀取；倘若數(shù)據(jù)正確，便將數(shù)據(jù)存入到系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，隨后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換使結(jié)果存入到數(shù)據(jù)顯示寄存區(qū)。利用顯示模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)將此數(shù)據(jù)向串口發(fā)送，之后再開(kāi)展下一輪的數(shù)據(jù)讀取與顯示過(guò)程。

3.1.2 溫濕度讀取程序設(shè)計(jì)

利用單總線實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度傳感器的訪問(wèn)。首先由主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，隨后主機(jī)處于等待接收信號(hào)狀態(tài)。在溫濕度傳感器發(fā)出信號(hào)之后，主機(jī)連續(xù)接收溫濕度傳感器傳送的40 位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)校驗(yàn)最終存入系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存區(qū)。

3.2 判斷控制模塊

該模塊屬于系統(tǒng)中的核心模塊之一，針對(duì)溫室中實(shí)時(shí)溫濕度進(jìn)行提取，并與給定溫濕度范圍之間進(jìn)行比較，先判定后控制（控制模塊主要用于決定系統(tǒng)所開(kāi)展的具體工作）。倘若溫度超過(guò)設(shè)定上限，便要進(jìn)行降溫處理；小于下限則要升溫；濕度超過(guò)上限要降濕；濕度低于下限要增濕，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)中的報(bào)警模塊。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，本文所設(shè)計(jì)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用效能，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比更具實(shí)用性。因此，出于單片機(jī)的各種優(yōu)勢(shì)，在溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要對(duì)其進(jìn)行充分整合與利用，提高系統(tǒng)整體應(yīng)用效果。作為一名系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該在日常工作中積極探索，對(duì)國(guó)外的一些先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)加以借鑒，繼而與我國(guó)各行業(yè)應(yīng)用需求相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更加符合我國(guó)國(guó)情的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用體系，在實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值的同時(shí)，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)注入源源不斷的活力。