實(shí)驗(yàn)室溫、濕度測試的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐明

摘要：本設(shè)計(jì)核心部分是利用8051單片機(jī)與DS18B20溫度傳感器以及HTU21D濕度傳感器設(shè)計(jì)硬件上的數(shù)據(jù)反饋，研究使用單片機(jī)通過分析溫度和濕度的返回信息進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的監(jiān)控， 最終通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主機(jī)的對接，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)相連來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：8051單片機(jī);DS18B20溫度傳感器;HTU21D濕度傳感器

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0262-02

伴隨著電子技術(shù)的日新月異，單片機(jī)、傳感器與個(gè)人使用的電子類產(chǎn)品也得到了極大地發(fā)展，溫度、濕度傳感器成本的降低以及在數(shù)字化方面的進(jìn)步，使得在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)推廣采用單片機(jī)測試溫度、濕度，通過個(gè)人手機(jī)或者PC機(jī)來收取這些數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)防火災(zāi)、漏水危險(xiǎn)。

本設(shè)計(jì)電路方面擬采用8051系列的單片機(jī)來接收DS18B20溫度傳感器和HTU21D濕度傳感器上的采集數(shù)據(jù)，這兩種傳感器的檢測與數(shù)據(jù)輸出集成在一個(gè)芯片上，體積小且抗干擾能力強(qiáng)，利用ZigBee無線傳感器跟主機(jī)相連，最后客戶端通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問主機(jī)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

目前市面上已有出售跟單片機(jī)焊接在一起的溫度傳感器和濕度傳感器，但是傳統(tǒng)的單片機(jī)需要通過雙公頭USB線跟主機(jī)相連，對于空間比較大的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)起來比較困難，本系統(tǒng)擬采用ZigBee無線傳感器測試網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，主要是為了減少對USB線的依賴，以及減少在實(shí)驗(yàn)室密集的空間帶來的布線麻煩。該系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，溫度與濕度傳感器通過單片機(jī)控制，單片機(jī)通過ZigBee無線傳感器測試網(wǎng)絡(luò)與主控端控制，客戶端（手機(jī)端和PC端）與主控端進(jìn)行交互以達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的反饋。

針對溫度和濕度兩種非電信號量，需要先利用傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號，再由集成電路分析處理[1]，最終可以在客戶端查看到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息。

2詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)系統(tǒng)模塊

CC2530的“增強(qiáng)型8051內(nèi)核”與“標(biāo)準(zhǔn)的8051微控制器”進(jìn)行比較，除了在速度方面進(jìn)行改進(jìn)之外，還有以下兩種情況：內(nèi)核代碼方面：從代碼的兼容性來看，CC2530的內(nèi)核目標(biāo)代碼是可以向下兼容“標(biāo)準(zhǔn)8051”的內(nèi)核目標(biāo)代碼，換句話說就是CC2530的內(nèi)核目標(biāo)代碼可以利用“標(biāo)準(zhǔn)8051”的編譯軟件進(jìn)行編譯。微控制器方面：由于CC2530的內(nèi)核目標(biāo)代碼是可以向下兼容“標(biāo)準(zhǔn)8051”的內(nèi)核目標(biāo)代碼，換句話說就是CC2530的內(nèi)核所使用的指令時(shí)鐘不同于“標(biāo)準(zhǔn)8051”，因此CC2530在編譯時(shí)與之前標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的代碼編譯就會(huì)有所不同。

對于使用CC2530的“增強(qiáng)型8051內(nèi)核”與“標(biāo)準(zhǔn)的8051微控制器”中出現(xiàn)的問題，必須優(yōu)先解決內(nèi)核的存儲(chǔ)空間不對稱這種情況，從FLASH存儲(chǔ)器來說，CC2530將其劃分成幾個(gè)bank，其中每個(gè)bank的大小都是固定的值，為32KB。對于CC2530F256設(shè)備來說，它有8個(gè)bank，分別為bank0～bank7。通過操作寄存器FMAP.MAP[2：0]來控制將哪個(gè)編號的bank映射到CODE區(qū)域 。CC2530的供電模式有很多種，通常這些供電模式會(huì)影響到單片機(jī)的運(yùn)行，所以需要根據(jù)不同的溫度采集或者濕度采集來設(shè)定相對應(yīng)的供電模式，如果模式選擇錯(cuò)誤會(huì)影響單片機(jī)與傳感器之間的聯(lián)系，因此在CC2530開始工作之前必須要選定正確的供電模式 。從CC2530的五種供電模式中進(jìn)行比較：

主動(dòng)模式：完全功能模式。穩(wěn)壓器的數(shù)字內(nèi)核開啟;此時(shí)的高頻振蕩器的32MHz晶振和16MHz RC振蕩器其中之一開始運(yùn)作，抑或兩者會(huì)同時(shí)運(yùn)作，這個(gè)需要看運(yùn)行的傳感器的數(shù)量和傳感器的型號;與此同時(shí)低頻振蕩器的32KHz晶振和32KHzRC振蕩器其中一個(gè)開始運(yùn)作。如果選中該模式，那么CPU、外置的設(shè)備以及RF收發(fā)器都變成處于活躍狀態(tài)，此時(shí)可以通過代碼操控CPU內(nèi)核是停止運(yùn)行還是繼續(xù)運(yùn)作，是否進(jìn)入到空閑的模式。如果想要喚醒空閑模式下的CPU內(nèi)核繼續(xù)運(yùn)作可以通過操作寄存器來設(shè)置寄存器復(fù)位、寄存器中斷或設(shè)定睡眠定時(shí)器。

空閑模式：所謂的空閑模式是指CPU內(nèi)核暫時(shí)停止運(yùn)作，在CPU內(nèi)核運(yùn)作時(shí)是與主動(dòng)模式相同。如果想要喚醒空閑模式下的CPU內(nèi)核繼續(xù)運(yùn)作可以通過操作寄存器來設(shè)置寄存器復(fù)位、寄存器中斷或設(shè)定睡眠定時(shí)器進(jìn)入主動(dòng)模式。

PM1：在PM1模式下，穩(wěn)壓器的數(shù)字部分開啟;該模式下的高頻振蕩器的32MHz晶振不運(yùn)作，且高頻振蕩器的16MHz RC振蕩器也不會(huì)運(yùn)作;此刻由低頻振蕩器的32KHz晶振和32KHz RC振蕩器中間的一個(gè)開始運(yùn)作維持穩(wěn)壓器的基本運(yùn)行需求。但此模式有個(gè)問題，就是當(dāng)發(fā)生寄存器復(fù)位、寄存器中斷或設(shè)定睡眠定時(shí)器到時(shí)時(shí)系統(tǒng)又將轉(zhuǎn)到主動(dòng)模式，此刻的PM1模式下就不再起任何作用。

PM2：在PM2模式下，穩(wěn)壓器的數(shù)字部分就會(huì)發(fā)生關(guān)閉，該模式下的高頻振蕩器的32MHz晶振不運(yùn)作，且高頻振蕩器的16MHz RC振蕩器也不會(huì)運(yùn)作;此刻由低頻振蕩器的32KHz晶振和32KHz RC振蕩器中間的一個(gè)開始運(yùn)作維持穩(wěn)壓器的基本運(yùn)行需求。但此模式有個(gè)問題，就是當(dāng)發(fā)生寄存器復(fù)位、寄存器中斷或設(shè)定睡眠定時(shí)器到時(shí)時(shí)系統(tǒng)又將轉(zhuǎn)到主動(dòng)模式，此刻的PM2模式下就不再起任何作用。且當(dāng)睡眠時(shí)間超過3ms時(shí)使用此模式。PM1模式和PM2模式最大區(qū)別就是穩(wěn)壓器的數(shù)字部分是否開啟。

PM3：在PM3模式下，穩(wěn)壓器數(shù)字部分也會(huì)發(fā)生關(guān)閉，但跟PM2模式有所不同，就是所有的振蕩器都不運(yùn)作。當(dāng)發(fā)生寄存器復(fù)位、寄存器中斷或設(shè)定睡眠定時(shí)器到時(shí)時(shí)系統(tǒng)又將轉(zhuǎn)到主動(dòng)模式，此刻的PM3模式下就不再起任何作用。PM3用于系統(tǒng)最低功耗的運(yùn)行模式。

本系統(tǒng)是以8051系列單片機(jī)為核心，對單片機(jī)設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對溫度濕度數(shù)據(jù)的分析和調(diào)節(jié)控制[2]。P0.0端口是連接在兩個(gè)三極管之間的，它的功能與P1.0、P2.0、P3.0端口的功能不同，只存在下拉的能力，高電平輸出時(shí)時(shí)沒有電流通過的，此時(shí)表現(xiàn)為高阻態(tài)，平時(shí)設(shè)定的也就是高阻態(tài)的模式。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中如果需要利用 P0 端口時(shí)則需要加上拉電阻，使其可以實(shí)現(xiàn)輸出高電平和低電平的狀態(tài)，這樣系統(tǒng)在工作過程中就可以實(shí)時(shí)檢測到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度的值，并且及時(shí)將這些信息傳送給客戶端，以達(dá)到監(jiān)控該實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度的目的，預(yù)防火災(zāi)以及漏水等現(xiàn)象。.

系統(tǒng)在工作過程中通過客戶端發(fā)布的實(shí)時(shí)命令來達(dá)到檢測當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度的值， 并且將檢測到的值發(fā)給客戶端，然后客戶端根據(jù)實(shí)際的值來進(jìn)行報(bào)警或者及時(shí)處理。

2.2溫度傳感器模塊

溫度傳感器DS18B20DS18B20 是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線接口的溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱電偶傳感器相比，大大提高了測量溫度的準(zhǔn)確度和精度[3]。溫度采集模塊是采用DS18B20溫度傳感器，該系列傳感器屬于IC 溫度傳感器，它比以往的傳感器相比是屬于集成電路芯片，可以把測量的溫度值通過集成在傳感器中的部分模數(shù)芯片直接將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。

溫度的采集這塊，主要是通過DS18B20 這個(gè)直接數(shù)字溫度傳感器。相應(yīng)的精度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。默認(rèn)的分辨率為12 位。

2.3 濕度傳感器模塊

之所以選擇HTU21系列模塊，是因?yàn)樗牡凸那殷w積小，在配置過程中安裝比較方便，且其響應(yīng)速度相對其他的濕度傳感器來說比較快，在信號的傳輸方面抗干擾能力強(qiáng)，在價(jià)格方面性價(jià)比高，所以本系統(tǒng)的濕度采集模塊通過HTU21D濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)，其功能主要完成濕度的采集，并將測試到的模擬信號先轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，然后通過電路傳遞給主機(jī)。但是由于水滴滴在地面上不容易聚集，所以需要找到地面上相對洼的地方，使其聚集，方便信息的采集。

HTU21D濕度傳感器可以放置在溫度為-40到125度的地方，滿足一般實(shí)驗(yàn)室的溫度環(huán)境，且其供電的電壓為3.8V，濕度范圍為0～100%RH，數(shù)字I/O針腳-0.3～VDD+0.3，任何針腳輸入電流-10MA～+10MA。在傳輸SCK和DATA的信號平行距離不超過10cm時(shí)會(huì)引起串音并導(dǎo)致信號丟失，我們在指定線路VDD或者GND兩路數(shù)據(jù)信號之間使用屏蔽電纜。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室通常都是置于室內(nèi)的環(huán)境，所以如果室內(nèi)一旦發(fā)生漏水，此時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的水氣（絕對濕度）就會(huì)達(dá)到一定的值，而這時(shí)最方便我們測量，濕度傳感器就是通過測量空氣中濕度達(dá)到飽和時(shí)的溫度，這是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測量范圍寬。

2.4客戶端模塊

客戶端主要是用來監(jiān)控溫度傳感器和濕度傳感器當(dāng)前測試的數(shù)據(jù)，客戶端分為PC機(jī)端和手機(jī)APP端，PC機(jī)端通常能夠的臺(tái)式電腦就可以實(shí)現(xiàn)，是使用。NET來開發(fā)完成，而手機(jī)APP端則是通過Andriod軟件來開發(fā)實(shí)現(xiàn)，適用于安卓機(jī)。無論使用哪種模式，都需要通過用戶登錄，用戶在登錄成功后直接進(jìn)入到監(jiān)控界面，點(diǎn)擊查看當(dāng)前溫度傳感器和濕度傳感器的探測值，通過網(wǎng)絡(luò)跟關(guān)聯(lián)單片機(jī)的主機(jī)相連，通過測試軟件直接讀取數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制并且可以調(diào)取該實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控，詳細(xì)了解該實(shí)驗(yàn)室的安全情況。

2.5 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊

Zigbee技術(shù)在硬件網(wǎng)絡(luò)上來說算是是一種近距離的，并且復(fù)雜度比較低、對電子設(shè)備的功耗要求也很低、搭建容易的雙向無線通訊技術(shù)。其主要的功能是方便傳輸速率不高的數(shù)據(jù)傳輸，作用于距離比較短且功耗低的各種電子類設(shè)備。本系統(tǒng)因?yàn)橹皇莻鬏攤鞲衅鳈z測到的信息，故通信數(shù)據(jù)量不大并且，數(shù)據(jù)傳輸速率也相對較低。且單片機(jī)以及單片機(jī)上連接的傳感器只需要很少的能量，通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到單片機(jī)上，并能實(shí)現(xiàn)傳感器與單片機(jī)與傳感器之間的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式、自組織和低功耗的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)專門定義的三個(gè)原語來實(shí)現(xiàn)的。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)專門定義了三個(gè)與數(shù)據(jù)相關(guān)的原語：數(shù)據(jù)請求原語（PD-DATA.Request），數(shù)據(jù)確認(rèn)原語（PD-DATA.comfirm）和數(shù)據(jù)指示原語（PD-DATA.Indication），這三個(gè)原語實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳送。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要是以單片機(jī)配合溫度傳感器以及濕度傳感器為核心，并且配合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，對傳感器采集到的溫度和濕度信號在單片機(jī)上地完成了對應(yīng)的信號的處理，并能將這些處理后的信息發(fā)送到主機(jī)上，通過廣域網(wǎng)來查看這些信息，該設(shè)計(jì)具有網(wǎng)絡(luò)搭建簡單、用戶易于操作、設(shè)計(jì)成本低的特點(diǎn)，這樣實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度和濕度的監(jiān)控更方便。

參考文獻(xiàn)：

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