一種溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計與仿真

鄭晨曦　吳次南

摘要：當(dāng)前常見的溫濕度采集設(shè)備普遍較大，使用比較麻煩。因此，針對一些特定環(huán)境對溫濕度采集設(shè)備小型化、精度要求高、使用方便的需要，設(shè)計了一種使用單片機為控制芯片，具有高精度的溫濕度采集方案，并在Protues軟件中進行了功能仿真。本文從整體設(shè)計、單片機、溫濕度傳感器等方面進行了闡述。

關(guān)鍵詞：溫濕度；采集；小型；設(shè)計；仿真

中圖分類號：TP3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）08-0262-03

溫濕度是環(huán)境中最基本的參數(shù)變量，與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)。一款小型的溫濕度的采集設(shè)備，可以準(zhǔn)確又方便地獲知溫濕度數(shù)據(jù)具有一定現(xiàn)實意義。國外的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)相對比較先進，無論是傳感器的測量精度、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性、功能多樣性，還是使用環(huán)境方面技術(shù)都比較領(lǐng)先。普通的溫濕度采集系統(tǒng)中的溫濕度測量均采納熱敏電阻與濕敏電容，這種傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都必須設(shè)計信號調(diào)理電路并通過繁瑣的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因而測量精度很難確保，且在線性度、重復(fù)性、互換性等方面也存在問題。

環(huán)境的監(jiān)測應(yīng)用廣泛，在當(dāng)今使用最廣泛的MCU就是單片機了，AT89C51使用廣泛，價格低廉，在常見的儀器、工業(yè)控制等領(lǐng)域的發(fā)揮著極其重要的作用，用其作為溫濕度檢測控制系統(tǒng)的實例也很多。使用A T89C51作為溫濕度采集設(shè)備的處理單元可以對環(huán)境的溫度金額濕度進行自動檢測，而且AT89C51單片機目前使用多，專注于51單片機的研究人員多，具有相對較多的文獻資料參考，對于本設(shè)計來說AT89C51單片機有超小尺寸的封裝，適合做成小型的溫濕度采集設(shè)備。使用該型號單片機設(shè)的系統(tǒng)，可以及時、精確的反映環(huán)境內(nèi)溫度以及濕度的變化趨勢，結(jié)果直觀。在軟件設(shè)計過程中也可以設(shè)置到一定溫度范圍內(nèi)報警提示，在濕度控制方面也是如此。將此系統(tǒng)應(yīng)用到對溫濕度有要求的環(huán)境中無疑可以節(jié)省不少人力物力。

系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有對環(huán)境溫濕度進行循環(huán)檢測，通過采集的溫濕度與設(shè)定值作對比，及時通過報警裝置進行報警。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

采用溫濕度測量、控制技術(shù)等技術(shù)，使用應(yīng)用廣泛的單片機作為控制核心，用傳感器測量外界溫濕度，構(gòu)成溫濕度測量監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件方面主要有測量電路、顯示模塊、報警電路。根據(jù)系統(tǒng)要求選用的器件主要有：AT89C51單片機、溫濕度傳感器SHT11、AMPIRE128x64顯示模塊、報警裝置蜂鳴器等。

在系統(tǒng)工作時，SHT11溫濕度傳感器采集的環(huán)境溫濕度數(shù)字信號會在芯片內(nèi)部直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該信號直接傳輸給單片機經(jīng)由單片機進行處理，再把處理過的數(shù)據(jù)顯示在LCD上；當(dāng)單片機得到的數(shù)值符合設(shè)定的范圍時，蜂鳴報警器發(fā)出報警聲，單片機編程語言很多，C語言被大部分研發(fā)人員所采用。

本系統(tǒng)的核心為溫濕度數(shù)據(jù)的采集，單片機作為控制裝置，負責(zé)中心運算和控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個模塊的工作。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫濕度傳感器，其中溫度傳感器由能隙材料制成的溫度敏感元件，濕度傳感器采用電容性聚合體濕度敏感元件。傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)存儲在芯片內(nèi)部的OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對溫濕度傳感器與一個14位的高精度ADC相連接，可直接將處理過的數(shù)字溫濕度二進制信號送給，2c總線器件，最后將信號轉(zhuǎn)換為滿足12C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號。

因為傳感器與電路結(jié)合在一起，因而該傳感器具備比其他類型的濕度傳感器更為優(yōu)越的性能。一個是傳感器信號的強度增加，這會增大了傳感器的抗干擾性，保證了傳感器的長期穩(wěn)定工作，而A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換的同時完成，降低了傳感器對干擾噪聲信號的敏感度。傳感器可直接通過12C總線與A T89C51單片機系統(tǒng)連接。

SHT11需要2.4-5.5V范圍內(nèi)的電壓供電以保證正常運行，所以在本設(shè)計中采用容易得到的3.3V供電電壓。為了得到一個純凈且幅度相對穩(wěn)定的電源，在VDD與GND引腳之間接一個100nF的電容，用來去耦濾波。SHT11的串行接口在很多方面做了處理和優(yōu)化，在傳感器信號讀取和電源損耗方面表現(xiàn)突出。SHT11與微處理器的連接見圖1。

SCK用于微處理器控制SHT11的工作頻率。DATA引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于單片機和SHT11之間數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)傳感器接收到相關(guān)指令后時，SCK上升沿時DATA有效，DATA在SCK下降沿之后改變田，在SCK高電平時一直保持穩(wěn)定。

2.2AT89C51單片機

AT89C51可通過編程設(shè)置成省電模式。比如在空閑模式下，MCU暫停工作，定時計數(shù)器、RAM、串行口、中斷系統(tǒng)則繼續(xù)工作。在掉電模式時凍結(jié)振蕩器從而保存只讀存儲器的數(shù)據(jù)，停止芯片其他功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位，以保證數(shù)據(jù)不會丟失。本系統(tǒng)中選用價格較低、工作穩(wěn)定、使用廣泛的AT89C51單片機作為整個系統(tǒng)的控制器，并且還可以做小采集設(shè)備的尺寸，使用中方便。

時鐘電路是給單片機工作時提供所必須的時鐘方波信號，其實單片機的本身就是一個復(fù)雜的時序電路。為實現(xiàn)各種工作方式，A T89C51在CLK信號的控制下嚴(yán)格地按時序執(zhí)行指令進行工作，時鐘信號的質(zhì)量能嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。因為時鐘頻率負責(zé)控制單片機的運行秩序，所以單片機速度也在一定程度上受時鐘信號影響。設(shè)計一個穩(wěn)定的時鐘電路對系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行至關(guān)重要。A T89C51單片機XTAL1引腳與XTAL2引腳的內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩的高增益反相放大器。這兩個引腳跨接石英振蕩器和微調(diào)電容可以構(gòu)成一個穩(wěn)定的振蕩器。外部提供時鐘的工作時，外部時鐘源直接接到XTAL1接口，而XTAL2端直接懸空即可，本設(shè)計采用在XTAL1與XTAL2之間跨接石英振蕩器的方式提供時鐘信號（如圖2）。

電路中C1、C2電容值為30PF，電容值若太小直接影響振蕩頻率的穩(wěn)定和快速性。晶振頻率一般選擇2MHZ到12MHZ，在一定范圍內(nèi)晶振頻率越高單片機的速度就越快，但同時對存儲器速度也就提出了更高的要求。從系統(tǒng)穩(wěn)定性方面考慮，采用穩(wěn)定性相對更好的NPO電容，晶振頻率為12MHZ。

單片機的初始化操作就是復(fù)位，在給單片機的RST引腳（復(fù)位引腳）上加大于2個機器周期或者24個振蕩周期的高電平信號就可使51單片機復(fù)位。在一般的設(shè)計中復(fù)位電路有采用自動復(fù)位或者按鈕復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位是通過外部電路給電容充放電的原理給RST引腳一個短的高電平信號（如圖3所示），次信號隨著電源對1uF的電容進行充電而逐漸從高電平回落，實際上電容的充電時間決定RST引腳上高電平持續(xù)的時間。為保證單片機能可靠地復(fù)位，RST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間，也就是選擇一個相對容量較大的電容。

2.3液晶顯示模塊設(shè)計

本設(shè)計是利用AT89C51單片機的串行口與顯示器I/O接口相連。LCD的顯示原理是利用液晶通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制的物理特性，有電壓的區(qū)域就顯示，而通過控制通斷電就可以顯示出不同的圖形或者字符。AMPIRE128*64顯示器整個屏幕分左、右兩個屏，每個半屏右8頁，每頁有8行，數(shù)據(jù)是豎行排列。顯示一個字要16*16點，全屏有128*64個點，故可顯示32個中文漢字。每兩頁顯示一行漢字，可顯示4行漢字，每行8個漢字，共32個漢字。而顯示數(shù)據(jù)則要16*8個點，顯示數(shù)據(jù)是漢字的兩倍。顯示電路的連接如圖3-7所示。也即單片機的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P0.5，P0.6，P0.7，P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，P2.4，分別與顯示器的DB0，DB1，DB2，DB3，DB4，DBS，DB6，DB7，CS2，CS1，EN，RVV，RS端口連接（如圖4所示）。

2.4報警電路

在一些特殊的應(yīng)用場景，對溫濕度有一定的要求，本設(shè)計是為在溫濕度監(jiān)測過程中如果溫濕度的超出設(shè)定值的范圍而提示報警，蜂鳴器與單片機的P1.5口相連，通過控制P1.5口的電平高低實現(xiàn)報警。比如溫濕度過限時，P1.5口被置1，報警系統(tǒng)開始工作；相反若P1.5口處于低電位，則蜂鳴器不工作也就是不報警。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要有系統(tǒng)初始化模塊，傳感器監(jiān)測模塊，LCD顯示模塊，報警模塊，報警值判斷與控制模塊幾個部分組成。

單片機主程序的設(shè)計過程中應(yīng)該重視如下幾個問題：1）溫濕度顯示；2）溫濕度值轉(zhuǎn)換；3）越限報警和處理。

SHT11傳感器的轉(zhuǎn)換公式如下：

溫度轉(zhuǎn)換公式：T=d1+d2*SOt

公式中的參數(shù)dl=-40，d2=0.01

相對濕度轉(zhuǎn)換公式：

RHline=C1+C2*SOrh+C3*SOrh*SOrhr（檢測數(shù)據(jù)的線性化SOrh為單片機接收到的數(shù)據(jù)）

RHtrue=（T-25）*（tl+t2*SOrh）+RHline

公式中的參數(shù)：C1=-4，C2=0，0405，C3=-0.0000028，t1=0.01，t2=0.00008（適用于12位測量精度）

4系統(tǒng)仿真

PROTUES是單片機設(shè)計中使用非常廣泛的EDA工具（仿真軟件），由英國的Labcenter公司開發(fā)。PRO-TUES軟件在做單片機設(shè)計中使用方便，它可以滿足從原理圖布置、單片機代碼調(diào)試、外圍電路協(xié)同仿真等過程直接切換到PCB設(shè)計，做到了從概念設(shè)計到仿真驗證再到實物電路設(shè)計的一鍵切換。PROTUES軟件中包含有混合模式的仿真器以及VSM嵌入式仿真器，提供了許多的仿真設(shè)備和一些經(jīng)常使用的大量元器件，其內(nèi)部有各種型號單片機、各種邏輯電路、調(diào)試工具，比如各種電子測試儀器：邏輯分析儀、串口終端、示波器、信號發(fā)生器等。以及各種顯示設(shè)備，如模擬儀表、數(shù)字儀表、噪聲與失真信號顯示器等，另外還有各種調(diào)試信號，直流、交流、脈沖及各種變化信號，它使得PROTUES可以同時仿真模擬數(shù)字電路多種系列單片機。

系統(tǒng)仿真使用C語言編程，在PROTUES仿真軟件設(shè)置關(guān)聯(lián)程序，能在虛擬的LCD準(zhǔn)確顯示溫度和濕度值如圖5，在溫濕度超過設(shè)定值能實時報警。

5結(jié)束語

為順應(yīng)當(dāng)今溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)備小型化、功能簡單、性能可靠的趨勢，使用51單片機和成熟的SHT11溫濕度傳感器芯片設(shè)計一種可以小型化的溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用C語言編程通過PROTUES軟件仿真，實現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)采集的功能。51單片機價格低廉、應(yīng)用廣泛，因此該設(shè)計方案具有明顯優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中具有良好的參考和應(yīng)用價值。