基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉娟花　楊幸芳

摘 要： 采用AT89S52單片機(jī)和SHT11數(shù)字溫濕度傳感器構(gòu)成成本低廉的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由AT89S52單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到1602液晶顯示器顯示，同時(shí)當(dāng)溫度或濕度超過(guò)設(shè)定的上限或下限值時(shí)由發(fā)光二極管與蜂鳴器產(chǎn)生聲光報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣、功耗較低，符合儀器儀表小型化的潮流，為智能化的微型溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； SHT11； LCD1602； 報(bào)警

中圖分類號(hào)： TN931+.3?34； TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0165?04

Abstract： The AT89S52 MCU and SHT11 digital temperature?humidity sensor are used to construct a temperature?humidity monitoring system with low cost. The data acquired and processed by 52?MCU is sent to LCD1602 for displaying. If the value of temperature or humidity exceeds the set valves， the sound and light alarms are generated by LED and buzzer. The system has simple structure， low cost， strong anti?interference ability， wide application range and low power consumption， and conforms to the trend of the instrument miniaturization， which lays the good foundations for the research and development of the intelligent micro temperature?humidity monitoring system.

Keywords： microcontroller； SHT11； LCD1602； alarm

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中溫濕度測(cè)量占據(jù)著重要的位置，如何快速、準(zhǔn)確地測(cè)量溫濕度受到各行各業(yè)的重視。隨著電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)也在向自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。近年來(lái)，利用微型機(jī)控制的數(shù)字化在線溫濕度檢測(cè)已成為溫濕度檢測(cè)技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以微型機(jī)AT89S52為基礎(chǔ)搭建數(shù)字溫濕度傳感器SHT11構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠的智能化溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，可廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分由以下幾個(gè)模塊組成[1?2]：AT89S52單片機(jī)控制模塊、溫濕度采集模塊、鍵盤設(shè)置模塊、時(shí)鐘模塊、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊以及其他輔助模塊。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能為：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理SHT11傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并控制液晶顯示器顯示出實(shí)時(shí)溫度和濕度，同時(shí)當(dāng)溫度或濕度超過(guò)設(shè)定的上限或下限值時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 AT89S52單片機(jī)

AT89S52是ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有8 KB的EPROM和256 B的RAM，32個(gè)可編程I/O口，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，1個(gè)雙工串行通信口及時(shí)鐘電路，片內(nèi)置通用8位中央處理和FLASH存儲(chǔ)單元，與MCS?51系列指令和引腳完全兼容。該芯片功能強(qiáng)大，適用于復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合[3?4]。

1.2 溫濕度測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器選用SHT11。SHT11是瑞士Sensiron公司推出的采用了CMOSens工藝的一款數(shù)字溫濕度傳感器。它將溫濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換等功能高度集成在一起，封裝超小，提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA。支持CRC校驗(yàn)，傳輸可靠性高，工作電壓為2.4～5 V，其測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，測(cè)量精度高，可以提供溫度補(bǔ)償、濕度測(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能，其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。對(duì)于SHT11的操作嚴(yán)格依據(jù)時(shí)鐘線（SCK）和數(shù)據(jù)線（DATA）不同的高低電平時(shí)序，共有5種用戶命令，實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶命令是由3位地址位（只支持000）和5位命令位組成的8個(gè)二進(jìn)制比特。SHT11 有5條命令，分別是測(cè)量濕度（00101）、測(cè)量溫度（00011）、寫狀態(tài)寄存器（00110）、讀狀態(tài)寄存器（00111）和軟件復(fù)位（11110）命令。SHT11采用雙線串口通信，所以只需要用到單片機(jī)的2個(gè)I/O口，SHT11與單片機(jī)的接線如圖2所示。其基本工作原理是單片機(jī)向SHT11 發(fā)出命令，SHT11 利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大，分別送至A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過(guò)二線串行接口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)處理。單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)字顯示并作相應(yīng)的控制。

1.3 顯示模塊的設(shè)計(jì)

顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，它是目前工控系統(tǒng)中使用最廣泛的液晶屏之一，顯示質(zhì)量高。LCD1602 字符型液晶模塊是點(diǎn)陣型液晶，驅(qū)動(dòng)方便，經(jīng)過(guò)編程后顯示內(nèi)容多樣化[4]。系統(tǒng)顯示模塊如圖3所示，LCD1602通過(guò)P1口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將要顯示的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示。

1.4 按鍵模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)鍵盤模塊如圖4所示，獨(dú)立式鍵盤各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接1根I/O接口線，每根I/O接口線都不會(huì)影響其他I/O接口線。通過(guò)檢測(cè)I/O接口線的電平狀態(tài)判斷出哪個(gè)按鍵被按下。本設(shè)計(jì)用到4個(gè)按鍵，從上至下分別為加一、減一、模式選擇及返回鍵。

1.5 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)由紅綠發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，如圖5所示。D1～D4分別為溫度上限紅色指示燈、溫度下限綠色指示燈，濕度上限紅色指示燈、濕度下限綠色指示燈。

當(dāng)P0.3～P0.6分別輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的二極管D1～D4導(dǎo)通并發(fā)光； 否則，相應(yīng)的二極管D1～D4不發(fā)光。采用PNP三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，當(dāng)P0.7輸出低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫；當(dāng)P0.7輸出高電平時(shí)三極管截止，蜂鳴器不響。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本課題軟件部分的設(shè)計(jì)與硬件部分相對(duì)應(yīng)，采取模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為：溫濕度采集轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊等幾個(gè)模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試完善后，將各個(gè)模塊組合連接起來(lái)。這樣的設(shè)計(jì)方法利于程序的修改和完善，使程序的可移植性大大增強(qiáng)。

上電復(fù)位后，初始化各參數(shù)值，掃描按鍵是否按下，如是有按鍵按下則執(zhí)行按鍵處理程序；如果無(wú)按鍵按下則讀取溫濕度。顯示溫濕度后，將讀取的溫濕度與設(shè)置的上、下限溫濕度值進(jìn)行比較，如果超過(guò)上限或者低于下限則相應(yīng)的聲光報(bào)警啟動(dòng)，否則返回按鍵掃描處循環(huán)執(zhí)行如上程序。

各子模塊的流程圖分別如圖7～9所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

系統(tǒng)的調(diào)試采用英國(guó)Labcenter electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA工具軟件Proteus并聯(lián)合Keil C51來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試[6]。利用Keil C51軟件，加載溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的的C語(yǔ)言代碼，然后編譯形成 HEX 文件，再用Proteus軟件制作溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真測(cè)試無(wú)誤后，即可購(gòu)買器件進(jìn)行硬件電路的制作并進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

3.1 正常工作情況

初始化設(shè)置的溫度的上限值是30 ℃，下限值是20 ℃，濕度的上限值是60%RH，下限值是20%RH。圖10是溫度、濕度均在設(shè)定范圍內(nèi)的系統(tǒng)仿真結(jié)果。

3.2 溫濕度越限情況

當(dāng)溫度、濕度分別超出設(shè)定的范圍時(shí)，會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警電路。圖11為溫度35.6 ℃（高于設(shè)定的上限值30 ℃）時(shí)的仿真結(jié)果圖。從圖中可見(jiàn)紅色指示燈D1點(diǎn)亮，蜂鳴器響。其他越限情況，如溫度低于下限（綠色指示燈D2點(diǎn)亮，蜂鳴器響），濕度高于上限（紅色指示燈D3點(diǎn)亮，蜂鳴器響）和濕度低于下限（綠色指示燈D4點(diǎn)亮，蜂鳴器響）時(shí)的仿真結(jié)果，限于篇幅不再給出。

3.3 實(shí)物驗(yàn)證

圖12給出了系統(tǒng)某次測(cè)量環(huán)境溫度的實(shí)物圖。系統(tǒng)在上電之后，電源指示燈工作，并在液晶顯示器上顯示出實(shí)測(cè)的溫濕度值，由于雨天測(cè)量，濕度較大，超出了預(yù)設(shè)的上限值，相應(yīng)的報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器持續(xù)鳴叫。

4 結(jié) 論

基于51，52單片機(jī)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以其智能、廉價(jià)、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)和SHT11數(shù)字溫濕度傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)成本低廉的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣、功耗較低，符合儀器儀表小型化的潮流，為智能化的微型溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

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