基于STC89C516的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅 敏，劉 嵩，彭剛彬

(1.湖北民族學(xué)院理學(xué)院，湖北 恩施 445000;2.湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施 445000)

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對于室內(nèi)環(huán)境的安全性和舒適性提出了更高的要求，需要實(shí)時(shí)的監(jiān)測室內(nèi)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù).由于單片機(jī)具有功耗低、價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，本文以STC89C516單片機(jī)為核心處理器，結(jié)合溫濕度傳感器和煙霧傳感器等，設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)選用的單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的89C516單片機(jī).STC 89C516是采用8051內(nèi)核的在線可編程器件，工作頻率范圍在0到35 MHz之間.芯片片內(nèi)集成了傳統(tǒng)的8位處理器ISP Flash存儲器，擁有40個(gè)引腳，其中有32個(gè)I/O口可供用戶使用，它具有5個(gè)中斷源，還可擴(kuò)展外部程序存儲器［1］.

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，包括溫濕度測量模塊、煙霧測量模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、顯示模塊以及控制與報(bào)警模塊.其中，時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間，顯示模塊顯示系統(tǒng)測量的環(huán)境狀態(tài)，控制與報(bào)警模塊提供環(huán)境狀態(tài)的警戒閾值和聲光報(bào)警功能.

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General block diagram of the system

時(shí)鐘電路為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間，本系統(tǒng)選用的時(shí)鐘芯片是DALLAS公司的DS 1302.DS1302芯片內(nèi)部擁有數(shù)據(jù)存儲器，具有主電源、后備電源的雙電源引腳，即使突然斷電，時(shí)鐘的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息也不會丟失［2］.DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)如圖2所示，DS 1302的VCC1接后備電壓為3V的紐扣電池，VCC2接5V主電源，GND接電源負(fù)極.DS1302芯片的引腳X1和X2之間接入一個(gè)晶振，晶振大小為32.768 kHz.RST為片選端，接單片機(jī)的P2.2口.I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端，接單片機(jī)的P2.1口，SCLK為時(shí)鐘輸入端，接單片機(jī)的P2.0口.

2.2 溫濕度測量模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇的溫濕度傳感器是DHT 11，DHT 11溫濕度傳感器是一種數(shù)字型傳感器，DHT 11內(nèi)部自帶由校準(zhǔn)系統(tǒng)，與DS18B20溫度傳感器比，具有可以同時(shí)測量環(huán)境的溫度和濕度的優(yōu)勢［3－4］，接線方式也較為簡單，其硬件電路如圖3所示.在設(shè)計(jì)中，DATA端口接STC 89C516的P1.0口，為了穩(wěn)定輸出信號，DATA端口接一個(gè)4.7 K上拉電阻.當(dāng)處理器向DHT 11發(fā)送啟動(dòng)信號后，溫濕度傳感器被喚醒，隨后DHT 11轉(zhuǎn)到正常運(yùn)行模式;當(dāng)啟動(dòng)信號結(jié)束后，DHT 11向處理器STC 89C516發(fā)送響應(yīng)信號，然后采集的40位的溫濕度數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)這40位數(shù)據(jù)得到當(dāng)前的溫濕度信息.DHT 11接收到處理器發(fā)送的啟動(dòng)信號后就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，沒有接收啟動(dòng)信號，DHT 11就會轉(zhuǎn)到低功耗模式.

2.3 煙霧測量模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是MQ－2煙霧傳感器，主要監(jiān)測對象有:CO、CH4、H2、CCL3F、C2H5OH 等［5］.煙霧測量模塊硬件電路如圖 4 所示，PCF 8591是一種具有I2C總線接口的逐次比較型A/D及D/A轉(zhuǎn)換芯片，AO端為煙霧傳感器的模擬電壓輸出口，其接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591的AIN0口.時(shí)鐘口SCL和數(shù)據(jù)口SDA分別接P3.1與P3.0，實(shí)現(xiàn)與STC89C516的信號傳輸.

圖2 時(shí)鐘電路Fig.2 The clocking circuit of the system

圖3 溫濕度測量電路Fig.3 The measuring circuits of temperature and humidity

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖4 煙霧測量電路Fig.4 The measuring circuits of smoke

系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先對LCD、定時(shí)器、端口進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入程序循環(huán)階段.在循環(huán)階段，通過定時(shí)器延時(shí)實(shí)現(xiàn)線程的管理.在本系統(tǒng)中，由于所檢測的環(huán)境狀態(tài)變化比較緩慢，設(shè)置延時(shí)時(shí)間為120 s，而按鍵、時(shí)鐘請求實(shí)時(shí)性要求較高，設(shè)置延時(shí)時(shí)間為1 s.

3.1 DS1302 讀寫操作

DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘有三個(gè)端口 RST、I/O、SCLK，其中，RST為片選端，只有當(dāng)RST為“1”時(shí)，才能允許對DS1302進(jìn)行讀寫操作.DS1302時(shí)鐘寄存器的最高位決定小時(shí)制式.邏輯1為1 2小時(shí)制，邏輯0為2 4小時(shí)制，系統(tǒng)默認(rèn)為2 4小時(shí)制.控制寄存器僅最后WP位有效，WP為低電平時(shí)，解除寫保護(hù);WP為高電平時(shí)，開啟寫保護(hù)［6］.當(dāng)通過按鍵調(diào)節(jié)時(shí)間時(shí)，必須首先通過軟件打開寫保護(hù)，時(shí)鐘讀取函數(shù)的部分程序如下:

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow diagram of the system

在時(shí)鐘讀取函數(shù)中，add為時(shí)間變量地址，*add為相應(yīng)地址所對應(yīng)的數(shù)值.當(dāng)程序運(yùn)行add++時(shí)，*add就對應(yīng)下一個(gè)地址的數(shù)值，因此通過Re_Ds 1302()函數(shù)讀出數(shù)據(jù)，再經(jīng)過7次循環(huán)就可以分別讀出年、月、日、周、時(shí)、分、秒等數(shù)據(jù).

3.2 DHT11 讀寫操作

DHT11的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)順序?yàn)?位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù) 、8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、8位校驗(yàn)數(shù)據(jù)［7］.P1.0口輸出低電平后，至少需延時(shí)18毫秒，才能保證DHT11溫濕度傳感器能檢測到單片機(jī)發(fā)送的起始信號.部分讀寫程序如下:

4 結(jié)語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種以STC89C516單片機(jī)為核心處理器的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)控溫度、濕度及煙霧等室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過選擇不同的傳感器也可以監(jiān)控其它參數(shù)指標(biāo).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確的測量環(huán)境信息，而且成本低廉，可擴(kuò)展性強(qiáng)，有一定的應(yīng)用價(jià)值.

［1］耿濤，趙光，陶志勇.基于STC89C516單片機(jī)的數(shù)字光功率計(jì)設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用，2008，10(11):8－10.

［2］李偉躍.基于時(shí)鐘芯片DS1302的萬年歷的設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(9):20－21.

［3］楊慶.蔬菜大棚多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，26(2):187－189.

［4］顏麗娜，王順忠，張鐵民.基于DHT11溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.海南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，26(4):397－399.

［5］劉竹琴，白澤生.一種高精度可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(7):71－73.

［6］李長有，王文華.基于DHT11溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(13):95－97.

［7］姚德法，張洪林.串行時(shí)鐘芯片DS1302的原理與使用［J］.信息技術(shù)與信息化，2006(1):92－94.