基于單片機技術的智能溫濕度控制系統

張海紅,史丹青,武建衛,郭夕琴

（南京機電職業技術學院,江蘇南京,211135）

1 緒論

1.1 課題研究的背景和意義

在測量的對象領域內，溫度和濕度是非常重要的。無論是人類的生存，還是生活環境，工農業生產，軍事，氣象觀測，溫度的測量和控制以及濕度的測量和控制都是很重要的環節。隨著計算機技術、通信技術、電子技術、傳感器和傳感器材料技術的進步，溫度和濕度檢測都取得了跨越式發展。對溫度和濕度的測量與監控也是十分有意義的。

1.2 課題研究的目標與方案

通過對智能溫濕度傳感器特性的研究,設計出合理的硬件電路,編寫高效的處理器軟件，顯示溫濕度信息，然后根據溫濕度信息控制加熱換氣裝置。溫濕度信息由傳感器的敏感元件獲得，其輸出經過信號調理電路放大、線性化、去除干擾等并獲得與A/D轉換器相適配的模擬信號，此信號通過A/D轉換器轉換為微處理器可接受的數字信號。以單片機為核心的軟硬件處理電路對采集到的信號進行編程處理后輸出到顯示模塊，實時反映溫濕度值。瑞士Sensiri-on公司生產的SHT11是具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對溫度和濕度傳感器。它將傳感器技術與CMOS芯片技術相融合，可用來測量零點、相對溫度、相對濕度等參數，具有數字式輸出、免標定、免外圍電路、免調試及全互換的特點，最終為開發高精度、高可靠性、高集成度的溫濕度測控系統提供了解決方案。

2 硬件系統設計

2.1 硬件總體設計

本設計以AT89C52單片機系統為核心，首先通過SHT11溫濕度傳感器采集現場的溫濕度數據，然后經過SHT11溫濕度傳感器自身的A/ D轉換器轉換為數字代碼；再通過51單片機利用LCD1602顯示當前現場的溫濕度值,同時設置上下限；當前溫濕度超過預設最高上限時，報警并且燈亮，同時啟動加熱換氣裝置工作；當溫濕度低于預設最低下限時，報警并且燈亮，同時啟動加熱換氣裝置工作。可以根據不同的要求設置不同的越限值從而使其寬廣的測溫濕度范圍能夠廣泛地應用到溫濕度監測當中去。

2.2 溫濕度采集

2.2.1 SHT11簡介

瑞士Scnsirion 公司推出的SHT11是一款集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的數字溫濕度傳感器芯片。因此在進行溫濕度實時監測的系統采用SHT11傳感器，就具備成本低、體積小、精度高、接口簡單等特點。而且SHT11芯片的抗干擾能力也比同類芯片高，因為該芯片內部集成了14位A/D轉換器，且采用了數字信號輸出。

2.2.2 SHT11與單片機的接口電路

MCU（單片機）和SHT11傳感器通信采用串行二線接口DATA和SCK,其中DATA為數據線，SCK則為時鐘線，然而I2C協議與該二線串行通信協議是不兼容的。在程序開始時，MCU需要用一組“啟動傳輸”時序表示數據傳輸的啟動。如圖2-3所示，當SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉為低電平；緊接著SCK變為低電平，隨后又變為高電平；在SCK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉為高電平。

圖2-3 數據傳輸啟動時序

如圖2-4所示，為SHT11傳感器與單片機的接口電路。SHT11只有二個引腳，一個數字串行引腳接單片機P1.0口，SCK引腳接單片機P1.1口。電源與數字串行引腳間要接一個4K的電阻R2。R2是上拉電阻，因為單片機的P1口驅動能力有限，目的是為了使傳感器接收的數據能夠可靠的進行。

圖2-4 SHT11與單片機接口電路

3 軟件系統設計

3.1 軟件整體設計

軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，良好的軟件設計是實現系統功能的重要環節。系統能否正常運行，除了硬件的合理設計外，很大程度上取決于功能完善、算法先進的軟件設計。本系統是以AT89C52為硬件設計系統的核心，系統軟件部分主要包括數據采集模塊、數據顯示模塊、報警模塊，其中數據采集模塊包括溫濕度的采集、數據處理A/D轉換，報警模塊包括報警指示和報警處理。數據采集模塊將接收到的傳感器發出的模擬信號采集到單片機。數據處理模塊通過對接收到的采樣信號進行實時處理轉換、最后實現數據通信、驅動顯示等，軟件系統框圖如下圖所示：

這些程序相互獨立，在主程序中依次被調用。單片機處理的是數字信號，對接受的數據進行采集即可得到數字信號；數據處理模塊由單片機實現，對采樣信號進行實時控制、數據通信、驅動顯示、驅動運行等；顯示部分主要用LCD顯示，LCD由單片機驅動。

3.2 軟件設計程序流程圖

3.2.1 主程序流程圖

主程序是設計的主體，是由功能不同的子程序組成。本系統主程序的運行如下操作：串口初始化，完成初始化操作后，循環掃描鍵盤，當有相應按鍵時對應不同的功能，SHT11開始采集溫濕度數據，經LCD1602數碼管顯示讀數，判斷溫濕度是否超出設定范圍，如若超出則報警，并且報警指示燈亮，蜂鳴器報警，同時啟動加熱換氣電路。主程序流程圖如圖3-2所示。

圖3-2 主程序流程圖

圖3-3 報警電路程序流程圖

3.2.2 報警電路程序流程圖

報警模塊具備兩項功能，即為報警燈和聲音報警。聲音報警是從聽覺上提醒用戶，而報警燈則是從視覺上提醒用戶。當讀取的溫度值超過上下限時，紅燈亮并且報警，當濕度值超過上下限時，黃燈亮并且報警。流程圖如圖3-3所示。

3.2.3 SHT11讀取溫濕度程序流程圖

單片機與SHT11進行通信是采用的二線串行數字接口，需要用單片機的I/0口模擬通信時序，因為該通信協議與通用的I2C總線協議是不兼容的。對于SHT11的控制，MCU是通過5個六位命令代碼實現的，命令代碼的含義分別是：00101：測量濕度；00011：測量溫度；00110：寫內部狀態寄存器；00111：讀內部狀態寄存器；11110：復位命令，使內部狀態寄存器恢復默認值；其他的來設置分辨率。

程序開始首先對溫濕度傳感器SHT11進行初始化，檢測是否正常工作，然后單片機發出指令與SHT11連接測量溫濕度，接著溫濕度傳感器SHT11進行溫濕度計算以及A/D轉換，再發送給主機，并反復調用復位、寫入及讀取數據子程序，之后再經數據轉換，由數碼管顯示出來，不斷循環。流程圖如圖3-4所示

圖3-4 SHT11讀取溫濕度程序流程圖 圖3-5 LCD1602顯示溫濕度程序流程圖

3.2.4 LCD1602顯示溫濕度程序流程圖

圖4-2 對話框

程序首先對LCD1602初始化，檢查是否忙碌，如果不忙碌則主機發送模式設置指令或顯示指令寫入LCD1602中，然后指定字符顯示的實際地址，將數據寫入LCD1602中，顯示溫濕度。流程圖如圖3-5所示

4 系統仿真調試

本設計的硬件仿真由Protues軟件實現，軟件調試由Keil C51軟件實現，通過軟硬件的結合實現總體設計的仿真。

4.1 硬件設計仿真結果圖

4.1.1 系統仿真

（1）在Protues仿真軟件中，分布好元器件，連接好電路圖，電路圖如圖4-1所示。

（2）運用Keil uVision4編程軟件進行C語言編程，運用模塊化的程序設計思路對不同功能模塊的程序進行分別編程，以便移植或調用，這樣使軟件層次結構清晰，有利于軟件的調試修改。編程完成之后，選擇Project——Build target，編譯程序，編譯結果如圖19所示

（3）在Protues選中單片機芯片，在彈出的對話框中選中Program File的文件夾圖標。對話框如圖4-2所示。

（4）在彈出的對話框里選中剛剛生成的HEX文件，點擊OK。即可將HEX文件加載到單片機芯片中。

4.1.2 仿真結果分析

仿真結果如圖所示。LCD液晶顯示分別顯示、“Temp：****”、“Humi ：****”，其中“****”為測定的數據。按鍵一下，顯示“溫度上下限和測量值”，再次按鍵顯示“濕度的上下限和測量值”。

溫度在25℃-75℃之間屬于正常情況，低于25℃高于75℃都不是正常情況。

濕度在25%RH-65%RH之間屬于正常情況，低于25%RH高于65%RH都不是正常情況

（1）正常溫濕度區間內：

圖4-1 硬件設計仿真結果圖

正常顯示，沒有報警

（2）超過正常溫度和濕度上下限

超出預設溫度上下限，紅燈亮，蜂鳴器響，加熱換氣裝置運轉。

超過預設濕度上下限，黃燈亮，蜂鳴器響，加熱換氣裝置運轉。

（3）系統上下限顯示

溫度范圍為25-75℃，濕度范圍為20-65%RH量顯示

圖4-4 系統溫度上下限及測量顯示

圖3-1 軟件系統框圖

5 結束語

由于該系統采用的核心是高效單片機，主要的采集與測量系統是集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的SHT11，自帶A/D轉換器，從而該溫濕度控制儀具有體積小、成本低、精度高、接口簡單及良好抗干擾能力等優點，再加上優化程序，一定意義上本系統具有了很高的實用性。

圖4-3 正常時仿真結果圖

[1]易順明,趙海蘭,袁然.現代電子技術[J].電子技術雜志,2011.(07).

[2]陳永甫.電子電路智能化設計實例與應用[M].北京電子工業出版社,2002.(08).

[3]程捷,何晨.儀表技術[J].中國科技報,2011.(06).

[4]周樂安.基于MSP430單片機的溫濕度控制器[J].四川兵工學報,2008.(02).

[5]何希才.傳感器及應用電路[M].北京電子工業出版社出版,2001.(08).

[6]牛小弟.基于PC總線式溫度檢測系統的研究[D].河北科技大學,2010.

[7]楊寶強.基于AT89C2051的溫濕度控制儀[J].電子技術,2004.(04).

[8]朱真才.基于AT89S51單片機車間溫濕度控制系統設計[J].煤礦機械,2011.(09).

[9]李云峰.基于B/S模式的溫濕度在線監控系統[D].東北大學,2009.

[10]馬建國.電子系統設計[M].北京電子工業出版社,2002.

[11]郭金影.基于單片機的LCD顯示屏系統設計[D].武漢理工大學,2011.

[12]冉偉剛.溫室大棚數據采集系統[J].蘭州大學,2010.

[13]Coord3 S.P.A Measuring software for co-ordinate measuring machines Versions 3.7[M],2001.(04).

[14]Scott MacKenzie.THE 8051MICROCONTROLLER[M].USAPrentice-Hall.Inc,2002.

[15]陳小平.PROTEL99SE--電子線路CAD[M].東南大學出版社,2005