基于AT89C2051的溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

趙金燕，吳興純，何繼燕，王白娟，王銳剛

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來(lái)測(cè)量濕度的方法，早已無(wú)法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比測(cè)量溫度復(fù)雜得多，溫度可獨(dú)立測(cè)量，而濕度卻受其他因素（大氣壓、溫度）的影響。

利用AT89C2051單片機(jī)強(qiáng)大的功能，同時(shí)結(jié)合智能傳感器SHT75測(cè)量溫濕度有快速和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)溫濕度采集系統(tǒng)來(lái)對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)實(shí)際環(huán)境的溫濕度測(cè)量，證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性價(jià)比相當(dāng)高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數(shù)檢測(cè)儀。

1 溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)課題對(duì)監(jiān)控機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性好、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的要求，比較眾多溫濕度測(cè)量方案，系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75和AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成，通過(guò)SHT75對(duì)各環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值存儲(chǔ)于芯片的RAM中，單片機(jī)通過(guò)發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，本系統(tǒng)帶RS485通訊接口可連接監(jiān)控主機(jī)或PC，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)或PC來(lái)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機(jī)或PC上設(shè)置報(bào)警參數(shù)以便實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1 Block diagram of system function

1.2 芯片選擇

1.2.1 溫濕度傳感器

鑒于測(cè)量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測(cè)模塊不可能做得很大，而且系統(tǒng)要求響應(yīng)靈敏，測(cè)量精度要高，溫度小于等于±0.3℃，濕度小于等于±1.8%，穩(wěn)定性能良好，因此采用了瑞士生產(chǎn)的SHT75溫濕度傳感器[1]。

1.2.2 微處理器

該芯片主要是控制溫濕度采集，數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)溫濕度顯示及通信，那么對(duì)微控制器的端口需求較少，而且從測(cè)量系統(tǒng)對(duì)本模塊體積限定等諸多因數(shù)來(lái)考慮，系統(tǒng)選用ATMEL公司推出的AT89C2051，它是目前比較主流的單片機(jī)芯片，20個(gè)引腳，其中包括15個(gè)I/O口，復(fù)位和外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)端，一個(gè)全雙工串行通信端口，5個(gè)中斷源等，128 B的內(nèi)部RAM，2 kB的內(nèi)部ROM空間[2-3]。

1.2.3 隔離芯片

鑒于長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)采集的溫濕度數(shù)值，為了使顯示的穩(wěn)定性和可靠度增強(qiáng)，采用了兩片6N137光電隔離芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)串行輸入并行輸出7片74LS164芯片，其中6片控制6個(gè)數(shù)碼管顯示溫濕度，1片用于控制4個(gè)LED燈顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

1.2.4 看門狗芯片

為了監(jiān)控檢測(cè)模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)必不可少的部分，采用的X25054看門狗芯片主要功能有監(jiān)控電源，防止運(yùn)行程序跑飛，擴(kuò)充控制芯片存儲(chǔ)空間等。

1.2.5 通信接口

數(shù)據(jù)采集包括單片機(jī)對(duì)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)采用的是RS485接口，它是一種半雙工串行通信接口，采用平衡差分的傳輸模式，比RS232接口提高了傳輸?shù)乃俾屎驮黾恿藗鬏斁嚯x，目前廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)原理圖的繪制

本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機(jī)[3-4]作為控制核心，系統(tǒng)主要包括溫濕度傳感器、CPU、通訊接口等部件。電路圖的繪制采用Protel DXP 2004開(kāi)發(fā)工具，在設(shè)計(jì)PCB板的時(shí)候，應(yīng)特別注意電磁兼容性設(shè)計(jì)、地線設(shè)計(jì)、去耦電容配置等幾個(gè)方面。

電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其他電子設(shè)備的電磁干擾。在雙面PCB板中，上下兩層信號(hào)線的走線方向要盡量相互垂直或斜交叉，避免平行走線，以減少寄生耦合的產(chǎn)生[6]。

在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。地線設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)電路特性，正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，對(duì)高頻電路要采用多點(diǎn)接地，并盡量加粗接地線，接地線的寬度一般為普通走線的2倍，而且要將接地線構(gòu)成閉合環(huán)路。

在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。因?yàn)樵跀?shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，提高PCB板的可靠性[7]。

溫濕度采集模塊PCB板制作包括主控系統(tǒng)板制作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示板制作，最終設(shè)計(jì)的PCB圖如圖2和圖3所示。

圖2 溫濕度采集模塊Fig.2 Block of temperature and humidity parameter gathering

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊Fig.3 Display block of real-time data

1.4 系統(tǒng)實(shí)物圖

最終參數(shù)采集及實(shí)時(shí)顯示模塊實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 參數(shù)采集及實(shí)時(shí)顯示模塊原理圖Fig.4 Schematic of parameter gathering and real-time display module

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)調(diào)試后在室內(nèi)進(jìn)行了模擬測(cè)試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的測(cè)試效果以及測(cè)試精度。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用大量的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)減少誤差，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了記錄分析。實(shí)驗(yàn)第一組數(shù)據(jù)如表1所示。

在溫濕度傳感器未經(jīng)修正時(shí)，溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)相比較，其數(shù)據(jù)偏差即將接近本系統(tǒng)所要達(dá)到的期望值，但還有待改進(jìn)。

2.2 傳感器的補(bǔ)償和修正

為了補(bǔ)償溫濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使用如下公式（1）修正輸出數(shù)值：

對(duì)高于99%RH的那些測(cè)量值則表示空氣已經(jīng)完全飽和，必須被處理成顯示值均為100%2RH。濕度傳感器對(duì)電壓基本上沒(méi)有依賴性[8]。

當(dāng)實(shí)際測(cè)量溫度與25℃相差較大時(shí)，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)，使用如下公式（2）。

表1 第一組實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of the first group experiment

2.3 第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)公式（1）、（2）對(duì)傳感器進(jìn)行修正補(bǔ)償后得到實(shí)驗(yàn)第二組數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 第二組實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurement result of the second group experiment

從以上結(jié)果可以看出：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和修正以后，使溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度精度小于等于0.2℃，濕度精度小于1.0%RH，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，滿足了溫度精度為±0.3℃和濕度精度±2.0%RH的課題測(cè)量要求。

3 結(jié) 論

本文介紹的溫濕度采集[9]系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)溫度和濕度的測(cè)量特點(diǎn)，采用SHT75系列數(shù)字溫濕度傳感器，可與單片機(jī)直接相連，并且由于它溫濕一體的高度集成化，改變傳統(tǒng)溫濕度變送器硬件包含溫度傳感器、濕度傳感器、信號(hào)處理器、A/D轉(zhuǎn)換等部分，從而簡(jiǎn)化外圍電路并降低成本，提高了電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到了較高的性價(jià)比。通過(guò)對(duì)實(shí)際環(huán)境的溫濕度測(cè)量，證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性價(jià)比相當(dāng)高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數(shù)檢測(cè)儀。

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